RANCANG BANGUN KARBURATOR BIOGAS UNTUK MOTOR BENSIN
SKRIPSI
ADE PRISMA PRANAYUDA F14080128
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013
ABSTRAK ADE PRISMA PRANAYUDA. Rancang Bangun Karburator Biogas untuk Motor Bensin. Dibimbing oleh DESRIAL dan SRI WAHYUNI Biogas adalah salah satu sumber energi alternatif yang cukup menjanjikan saat ini. Gas ini mengandung metana sekitar 60% yang cukup potensial untuk dijadikan bahan bakar. Biogas juga mampu menggantikan bensin sebagai bahan bakar pada motor bakar internal. Desain karburator baru dibutuhkan untuk mencampur biogas dan udara pada rasio yang tepat. Karburator ini terdiri atas beberapa komponen utama, meliputi venturi, selongsong venturi, choke, throttle, dan dudukan. Desain karburator ini tidak boleh mengganggu komponen lain pada motor dan harus mampu bekerja dengan mekanisme throttle dan governor yang telah ada pada motor. Karburator ini memiliki banyak port biogas di dalamnya. Jumlah port selama pengujian divariasikan, mulai dari 2, 4, 6, hingga 8 buah port. Hasil pengujian menunjukkan karburator dengan 2 port memiliki kinerja terbaik dan kinerja terus menurun seiring penambahan jumlah port. Walaupun demikian, penggunaan biogas sebagai bahan bakar pengganti bensin secara umum membuat kinerja motor turun.. Hal ini disebabkan oleh nilai kalor biogas yang lebih rendah dibanding bensin. Agar karburator mampu bekerja lebih baik, beberapa modifikasi harus dilakukan dan beberapa bahan harus diganti dengan yang lebih sesuai. Kata kunci: Biogas, Karburator, Motor bakar Internal, Energi alternatif
ABSTRACT ADE PRISMA PRANAYUDA. Design of Biogas Carburetor For Gasoline Engine. Supervised by DESRIAL and SRI WAHYUNI Biogas is one of promising source of alternative energy nowadays. This gas contains methane at about 60% which is potential to be used as fuel. Biogas is also possible to replace gasoline as fuel on internal combustion engine. A new design of carburetor is needed to mixes air and biogas instead of air and gasoline. This carburetor consists of some main components, including venturi, venturi housing, choke, throttle, and flange. The design of carburetor may not disturb any other component of the engine and it should works with existing throttle and governor mechanism of the engine. This carburetor has many biogas ports inside its venturi. The number of ports during the test were varied, starts from 2, 4, 6, and 8 ports. The result of the test shows that carburetor with 2 ports has the best result and the performance of the engine decreases along with the addition of ports. However, application of biogas as fuel generally reduces the performance of the engine compared to normal gasoline–fueled engine. This reduction is caused by the low calorific value of biogas compared to gasoline. To makes the carburetor works better, some modifications have to be made and some materials have to be replaced with better one. Key words: Biogas, Carburetor, Internal Combustion Engine, Alternative energy
ADE PRISMA PRANAYUDA. F14080128. Rancang Bangun Karburator Biogas untuk Motor Bensin. Di bawah bimbingan Desrial dan Sri Wahyuni. 2013
RINGKASAN Kebutuhan energi terus meningkat seiring dengan bertambahnya jumlah penduduk di Indonesia. Hal ini berkebalikan dengan kenyataan bahwa sumber energi utama kita sehari – hari, yaitu minyak bumi terus menipis. Untuk mengatasi kelangkaan ini diperlukan adanya sumber energi baru dan terbarukan, salah satunya biogas. Biogas dihasilkan dari penguraian bahan – bahan organik dalam kondisi anaerobik. Hampir semua limbah yang bersifat organik bisa diubah menjadi biogas, seperti kotoran ternak, kotoran manusia, limbah pertanian, limbah rumah tangga, dan masih banyak lainnya. Kandungan metana dalam biogas lah yang menyebabkan gas ini berpotensi dimanfaatkan sebagai bahan bakar. Kandungan metana dalam biogas berkisar antara 50 – 70 %, nilai yang cukup besar untuk dijadikan sebagai sumber energi. Penggunaan biogas sebagai bahan bakar pada motor bensin memerlukan adanya desain karburator baru yang mampu mencampur biogas dan udara dengan rasio yang tepat sebelum masuk ke dalam silinder motor. Desain karburator yang dibuat harus bisa dipasang pada motor tanpa memodifikasi bagian apapun dari motor dan mampu bekerja dengan mekanisme throttle dan governor yang ada pada motor. Tujuan dari penelitian ini adalah merancang sebuah karburator yang mampu mencampur biogas dan udara dengan campuran yang tepat dan membuat motor bensin mampu beroperasi dengan bahan bakar biogas tanpa memerlukan modifikasi apapun selain penggantian karburator. Karburator yang dibuat memiliki bagian – bagian utama yaitu venturi, selongsong venturi, katup choke, katup throttle, serta dudukan. Karburator dibuat dari bahan logam, seperti aluminium, kuningan, besi, serta akrilik untuk bagian tuas choke dan throttle. Karburator ini memiliki 8 lubang biogas di sekeliling leher venturi. Metode pembuatan karburator dimulai dengan penentuan parameter perancangan, penentuan rancangan fungsional dan struktural, pembuatan gambar kerja dan proses manufaktur. Pengujian dilakukan dengan cara memasangkan karburator pada motor Honda GX110 dan menjalankan motor dengan bahan bakar biogas. Selanjutnya motor diuji kinerjanya menggunakan dinamometer dan data yang dihasilkan disimpan dalam komputer. Daya dan torsi yang mampu dicapai oleh motor tersebut dibandingkan pada setiap perlakuan dan dibandingkan dengan kinerja motor menggunakan bahan bakar bensin. Saat pengujian, jumlah lubang yang terbuka divariasikan sesuai dengan perlakuan yang diberikan, mulai dari 2 lubang, 4 , 6, hingga 8 lubang. Hasil pengujian menunjukkan bahwa karburator dengan dua lubang menghasilkan kurva kinerja yang paling baik di antara perlakuan lainnya. Daya yang dicapai sebesar 0.979 kW pada 3146 rpm dan torsi sebesar 4.307 Nm pada 1521 rpm. karburator dua lubang ini memiliki rasio luas penampang lubang udara dan biogas yang paling mendekati teori, yaitu sebesar 1 : 5.55. Sedangkan secara teoritis rasio yang tepat untuk pembakaran biogas ialah sebesar 1 : 5.7. Sedangkan pengujian – pengujian lainnya menunjukkan nilai yang semakin buruk seiring dengan penambahan jumlah lubang biogas. Apabila dibandingkan dengan kinerja motor berbahan bakar bensin, terjadi penurunan yang cukup signifikan. Daya yang mampu dicapai motor dengan bahan bakar bensin sebesar 1.86 kW dan torsi sebesar 6.21 Nm. Daya terbaik yang mampu dicapai oleh motor dengan karburator biogas terjadi pada karburator dengan 4 lubang yaitu sebesar 1.30 kW, atau terjadi penurunan sebesar 30%, sedangkan torsi terbaik dicapai oleh karburator dengan 2 lubang yaitu sebesar 4.31 Nm, atau terjadi penurunan torsi sebesar 38.3%. `
RANCANG BANGUN KARBURATOR BIOGAS UNTUK MOTOR BENSIN
ADE PRISMA PRANAYUDA
Skripsi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN pada Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013
Judul Skripsi : Rancang Bangun Karburator Biogas untuk Motor Bensin Nama : Ade Prisma Pranayuda NIM : F14080128
Menyetujui,
Pembimbing I,
Pembimbing II,
(Dr. Ir. Desrial, M.Eng.) NIP. 19661201 199103 1 004
(Sri Wahyuni, MP.)
Mengetahui : Ketua Departemen,
(Dr. Ir. Desrial, M.Eng.) NIP. 19661201 199103 1 004
Tanggal lulus :
ii
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI
Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa skripsi dengan judul Rancang Bangun Karburator Biogas untuk Motor Bensin adalah hasil karya saya sendiri dengan arahan Dosen Pembimbing Akademik, dan belum diajukan dalam bentuk apapun pada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini. Dengan ini saya limpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, Februari 2013 Yang membuat pernyataan
Ade Prisma Pranayuda F14080128
iii
© Hak Cipta milik IPB, tahun 2013 Hak Cipta dilindungi Undang-Undang Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
iv
BIODATA PENULIS Ade Prisma Pranayuda. Lahir di Ciamis, 24 Oktober 1990 dari ayah Sulaeman Sulasmana, S.Pd dan Ibu Tini Suwartini, sebagai putra keempat dari empat bersaudara. Penulis memulai pendidikan formal di SD Sukahurip I pada tahun 1996, pada tahun 2002 penulis melanjutkan pendidikan di SMP Negeri 4 Banjar dan lulus pada tahun 2005. Penulis menamatkan SMA pada tahun 2008 dari SMA Negeri 5 Bandung dan pada tahun yang sama diterima di IPB melalui jalur SNMPTN. Penulis memilih Program Studi Teknik Pertanian, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian. Selama mengikuti perkuliahan, penulis aktif dalam berbagai kegiatan termasuk menjadi asisten mata kuliah Motor dan Tenaga Pertanian, Teknik Mesin Budidaya Pertanian, dan Gambar Teknik. Penulis juga turut aktif berorganisasi sekaligus melestarikan kebudayaan daerah di Unit Kegiatan Mahasiswa Lingkung Seni Sunda Gentra Kaheman, Institut Pertanian Bogor. Pada tahun 2011 Penulis melaksanakan Praktik Lapangan di Perkebunan Tebu, PG Subang, Jawa Barat dengan topik Mempelajari Aspek Mekanisasi pada Budidaya dan Pengolahan Tebu. Tahun 2012 penulis melaksanakan penelitian dengan judul Rancang Bangun Karburator Biogas untuk Motor Bensin.
v
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT yang senantiasa melimpahkan rahmat, hidayah, dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul Rancang Bangun Karburator Biogas untuk Motor Bensin. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian pada Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Skripsi ini tidak bisa diselesaikan tanpa adanya kerjasama, bimbingan, dan dukungan pihakpihak yang terlibat dalam penulisan skripsi ini. Untuk itu dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada: 1.
Dr. Ir. Desrial, M.Eng selaku dosen pembimbing akademik atas bimbingan, dukungan baik moral dan material yang telah diberikan. 2. Sri Wahyuni, MP selaku dosen pembimbing kedua atas bimbingan dan fasilitas yang diberikan selama penelitian berlangsung. 3. Keluarga tercinta (Sulaeman Sulasmana, Spd., Tini Suwartini, Desi Franantika S, Pajar Pranajaya, Fransiska Sulaemasari, Psi.) yang telah memberikan doa, serta dorongan moral dan material kepada penulis. 4. Pak Juli Ramdani, Panji Laksamana Septiansyah, Anggi Tri Granita, dan Khania atas kerjasama dan bantuan yang diberikan selama proses penelitian hingga penulisan skripsi. 5. Andri, Fadli, Pak de, dan seluruh staf PT. SWEN Inovasi Transfer yang telah banyak membantu penulis selama proses penulisan skripsi ini. 6. Ajeng Mawangi atas segala dukungan dan semangat yang telah diberikan. 7. Rekan-rekan GPK (Fuad, Ghulam, Fajri, Toriq, Saidong, Galih, Igoy, Yudhi, Anggun, Utha, Yayan) atas persahabatan dan kebersamaannya baik saat suka maupun duka. 8. Akang teteh dan rai – rai di UKM LISES Gentra Kaheman yang telah memberikan penulis pelajaran tentang berorganisasi, tanggung jawab, pengorbanan, serta arti sebuah dedikasi. 9. Grup akustik Half Section (Pramita Riskia, Dea Permata Sari, dan Agustino Aritonang) yang telah menjadi bagian dari keseharian penulis selama masa studi. 10. Seluruh keluarga TEP 45 atas kebersamaannya selama lebih dari tiga tahun. Akhirnya penulis berharap semoga tulisan ini bermanfaat dan memberikan kontribusi yang nyata terhadap perkembangan ilmu pengetahuan di bidang penggunaan biogas sebagai sumber energi alternatif yang baru dan terbarukan.
Bogor, Februari 2013 Ade Prisma Pranayuda
vi
DAFTAR ISI Halaman KATA PENGANTAR ..................................................................................................................... vi DAFTAR GAMBAR ....................................................................................................................... ix DAFTAR TABEL ............................................................................................................................ x DAFTAR LAMPIRAN.................................................................................................................... xi I. PENDAHULUAN .................................................................................................................... 1 A. B. II.
LATAR BELAKANG.......................................................................................................... 1 TUJUAN ............................................................................................................................. 2 TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................................................... 3
A.
BIOGAS .............................................................................................................................. 3 1. 2. 3. 4. 5.
B.
Definisi Biogas ................................................................................................................ 3 Sejarah Biogas ................................................................................................................. 3 Reaksi Pembentukan Biogas ............................................................................................ 4 Parameter Pembentukan Biogas ....................................................................................... 5 Komposisi Biogas ............................................................................................................ 7 MOTOR BENSIN 4 TAK .................................................................................................... 8
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. C.
Pengertian........................................................................................................................ 8 Komponen Motor Bensin ................................................................................................. 9 Istilah-istilah dalam Motor Bakar ................................................................................... 10 Cara Kerja Motor Bensin 4 Tak ...................................................................................... 11 Kesetimbangan Energi dalam Motor Bakar ..................................................................... 11 Parameter Kinerja Motor Bakar ...................................................................................... 12 Pengujian Kinerja Motor Bakar ...................................................................................... 13 KARBURASI .................................................................................................................... 15
1. 2. 3. 4. D.
Definisi Karburasi .......................................................................................................... 15 Campuran Udara – Bahan bakar ..................................................................................... 16 Prinsip Kerja Karburasi .................................................................................................. 16 Bagian-bagian Utama Karburator ................................................................................... 16 APLIKASI BIOGAS SEBAGAI BAHAN BAKAR PADA MOTOR BAKAR.................... 17
III. ANALISIS RANCANGAN DAN KONSTRUKSI ALAT ...................................................... 22 A. B. C.
KRITERIA PERANCANGAN ........................................................................................... 22 RANCANGAN FUNGSIONAL......................................................................................... 22 RANCANGAN STRUKTURAL ........................................................................................ 24
IV. METODE PENELITIAN........................................................................................................ 28 A. B.
WAKTU DAN TEMPAT PENELITIAN............................................................................ 28 METODE PEMBUATAN KARBURATOR BIOGAS........................................................ 28 1. 2.
C. D.
Bahan dan Alat .............................................................................................................. 28 Proses Pembuatan Karburator Biogas ............................................................................. 30 METODE PENGUJIAN .................................................................................................... 33 SIMULASI ALIRAN MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) 35
vii
V.
HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................................................... 39 A. PROTOTIPE KARBURATOR BIOGAS ........................................................................... 39 B. ANALISIS KINERJA KARBURATOR BIOGAS .............................................................. 41 C. HASIL SIMULASI ALIRAN MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD) ........................................................................................................................................ 54
VI. SIMPULAN DAN SARAN .................................................................................................... 56 A. B.
SIMPULAN....................................................................................................................... 56 SARAN ............................................................................................................................. 56
UCAPAN TERIMA KASIH ........................................................................................................... 57 DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................................................... 58 LAMPIRAN ................................................................................................................................... 60
viii
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1. Tahap pembentukan biogas (Marchaim, 1992 dalam Herringshaw, 2009) ......................... 4 Gambar 2. Komponen – komponen utama sebuah motor bensin ........................................................ 9 Gambar 3. 4 langkah kerja motor bensin ......................................................................................... 11 Gambar 4. Karburator biogas (Siripornakarachai, 2007) .................................................................. 19 Gambar 5. Karburator biogas (Constant dan Naveau, 1989) ............................................................. 20 Gambar 6. Karburator biogas (Nijaguna, 2002) ............................................................................... 20 Gambar 7. Karburator biogas (Trelles, 2007)................................................................................... 21 Gambar 8. Dimensi O-Ring dan Dimensi Gland (FreudenBerg and NOK Group, 2012) ................... 25 Gambar 9. Dinamometer ................................................................................................................. 29 Gambar 10. Diagram alir rancang bangun karburator biogas ............................................................ 30 Gambar 11. Diagram alir pembuatan prototipe karburator biogas ..................................................... 31 Gambar 12. Komputer pribadi dengan perangkat lunak Dyno-MAX (kiri) dan dinamometer yang telah terpasang pada motor bensin (kanan). ............................................................................. 34 Gambar 13. Skema setup pengujian karburator biogas ..................................................................... 35 Gambar 14. Diagram alir prosedur simulasi..................................................................................... 38 Gambar 15. Perbandingan karburator bensin(kiri) dan karburator biogas hasil rancangan(kanan) ..... 39 Gambar 16. Bagian – bagian karburator biogas hasil rancangan ....................................................... 40 Gambar 17. Motor bensin yang telah dipasang karburator biogas ..................................................... 40 Gambar 18. Grafik kinerja motor dengan karburator 8 lubang (ulangan 1) ....................................... 42 Gambar 19. Grafik kinerja motor dengan karburator 8 lubang (ulangan 2) ....................................... 43 Gambar 20. Grafik kinerja motor dengan karburator 8 lubang (ulangan 3) ....................................... 43 Gambar 21. Grafik kinerja motor dengan karburator 6 lubang (ulangan 1) ....................................... 44 Gambar 22. Grafik kinerja motor dengan karburator 6 lubang (ulangan 2) ....................................... 45 Gambar 23. Grafik kinerja motor dengan karburator 6 lubang (ulangan 3) ....................................... 45 Gambar 24. Grafik kinerja motor dengan karburator 4 lubang (ulangan 1) ....................................... 46 Gambar 25. Grafik kinerja motor dengan karburator 4 lubang (ulangan 2) ....................................... 47 Gambar 26. Grafik kinerja motor dengan karburator 4 lubang (ulangan 3) ....................................... 47 Gambar 27. Grafik kinerja motor dengan karburator 2 lubang (ulangan 1) ....................................... 48 Gambar 28. Grafik kinerja motor dengan karburator 2 lubang (ulangan 2) ....................................... 49 Gambar 29. Grafik kinerja motor dengan karburator 2 lubang (ulangan 3) ....................................... 49 Gambar 30. Grafik kinerja motor dengan bahan bakar bensin (ulangan 1) ........................................ 51 Gambar 31. Grafik kinerja motor dengan bahan bakar bensin (ulangan 2) ........................................ 52 Gambar 32. Grafik kinerja motor dengan bahan bakar bensin (ulangan 3) ........................................ 52 Gambar 33. Fraksi campuran udara dan biogas hasil simulasi CFD .................................................. 54 Gambar 34. Kontur besaran kecepatan (A) dan kontur vektor kecepatan (B) dalam satuan m/s ......... 55
ix
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1. Rasio C/N beberapa bahan organik ...................................................................................... 6 Tabel 2. Komposisi biogas ................................................................................................................ 7 Tabel 3. Perbandingan nilai kalor biogas dengan berbagai bahan bakar lain ..................................... 18 Tabel 4. Spesifikasi motor bensin Honda GX110............................................................................. 24 Tabel 5. Petunjuk dimensi gland berdasarkan diameter cross section O-ring (FreudenBerg and NOK Group, 2012) .......................................................................................................................... 26 Tabel 6. Perlakuan saat pengujian dan rasio luas penampang ........................................................... 33 Tabel 7. Input data pada boundary condition simulasi CFD ............................................................. 37 Tabel 8. Hasil pengujian karburator biogas ...................................................................................... 42 Tabel 9. Penurunan daya pada motor dibandingkan dengan bahan bakar bensin ............................... 53
x
DAFTAR LAMPIRAN Halaman
Lampiran 1. Perhitungan rasio biogas – udara ................................................................................. 60 Lampiran 2. Analisis Teknik ........................................................................................................... 61 Lampiran 3. Analisis biaya pembuatan satu unit karburator biogas .................................................. 64 Lampiran 4. Perhitungan Tekanan pada Intake Manifold ................................................................. 65 Lampiran 5. Data hasil perekaman pada komputer ........................................................................... 67 Lampiran 6. Gambar Teknik ........................................................................................................... 75
xi
I. PENDAHULUAN
A. LATAR BELAKANG Kebutuhan energi di masyarakat saat ini terus meningkat seiring dengan terus bertambahnya jumlah penduduk. Padahal seperti kita ketahui, sumber energi utama saat ini, yaitu energi fosil terus mengalami penurunan produktivitas dan cadangan yang semakin menipis. Untuk mengatasi hal ini, maka pencarian berbagai alternatif energi baru harus dilakukan. Salah satu sumber energi yang cukup menjanjikan adalah biogas. Biogas merupakan gas hasil aktivitas mikroba secara anaerobik pada sisasisa biomassa yang sudah tidak dimanfaatkan lagi. Macam-macam biomassa ini sangat bervariasi, mulai dari kotoran ternak, sampah sisa rumah tangga, dedaunan dan sisa tumbuhan, dan masih banyak lagi produk lainnya. Umumnya biogas ini diproduksi pada biodigester yang berfungsi mereaksikan dan mengumpulkan biogas hasil reaksi. Secara umum, biogas mengandung 60-65% gas metana (Harikishan, 2008). Nilai ini adalah nilai yang cukup menggiurkan untuk menggunakan biogas sebagai sumber energi alternatif. Salah satu bentuk penggunaan biogas sebagai sumber energi adalah menggunakannya sebagai bahan bakar pada motor pembakaran internal (Internal Combustion Engine). Motor-motor yang ada saat ini kebanyakan beroperasi dengan bahan bakar bensin (Spark ignition engine, SI, Otto) ataupun diesel (Compression ignition engine, CI, Diesel). Bahan bakar bensin dan biogas memiliki beberapa perbedaan. Perbedaan itu meliputi wujud, komposisi, dan nilai kalornya. Bensin berwujud cair pada suhu ruang, sedangkan biogas berbentuk gas. Bensin merupakan bahan bakar hasil penyulingan minyak bumi yang secara umum terdiri dari heptana dan oktana dan diproses melalui teknologi yang mutakhir sehingga kemurniannya terjamin. Sementara itu, biogas ialah gas hasil fermentasi zat-zat organik pada digester sederhana dan tidak melalui proses pemurnian. Akibatnya, masih banyak zat-zat yang tidak diharapkan ikut terkandung di dalam biogas, seperti karbon dioksida, uap air, dan gas-gas lainnya. Komposisi biogas yang beraneka ragam ini pula lah yang menyebabkan perbedaan nilai kalor yang cukup signifikan antara bensin dan biogas. Nilai kalor bensin sekitar 42 MJ/kg, sedangkan nilai kalor biogas sangat bergantung pada jumlah metana yang dikandung biogas tersebut, secara umum hanya sekitar setengah dari nilai kalor bensin. Perbedaan nilai kalor ini akan berakibat pada perbedaan rasio campuran udara - bahan bakar yang tepat antara bensin dan biogas. Perbedaan-perbedaan di atas mengakibatkan perlunya perancangan sistem penyaluran bahan bakar baru untuk aplikasi biogas pada motor bensin. Bagian yang paling penting dalam penyaluran bahan bakar pada motor bensin ialah karburator. Karburator berfungsi mencampur bahan bakar dan udara pada rasio tertentu sebelum dimasukkan ke dalam silinder untuk selanjutnya dibakar. Karburator yang ada pada motor bensin tidak dirancang untuk bahan bakar biogas karena perbedaanperbedaan yang ada, seperti wujud yang berbeda, komposisi yang berbeda, serta rasio campuran yang berbeda. Agar motor bensin mampu bekerja secara optimal dengan menggunakan bahan bakar biogas, maka suatu rancangan karburator baru harus dibuat agar memenuhi kriteria-kriteria yang dimiliki biogas dan berbeda dengan bahan bakar bensin pada umumnya.
1
B. TUJUAN Tujuan dari penelitian ini adalah: 1. Merancang karburator untuk bahan bakar biogas yang dapat digunakan pada motor bensin dan merealisasikannya dalam bentuk prototipe 2. Menentukan bagian – bagian utama dari karburator biogas hasil rancangan 3. Mangaplikasikan karburator biogas hasil rancangan pada motor bensin dengan menggunakan bahan bakar biogas. 4. Mengetahui rasio campuran biogas dan udara yang tepat untuk pembakaran 5. Menguji kinerja karburator biogas hasil rancangan 6. Membandingkan hasil pengujian kinerja dengan motor berbahan bakar bensin.
2
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. BIOGAS 1.
Definisi Biogas
Biogas adalah gas yang dihasilkan dari proses penguraian bahan – bahan organik oleh mikroorganisme dalam kondisi tanpa udara (anaerobik) (Wahyuni, 2011). Biogas merupakan teknologi yang ramah lingkungan, karena bahan organik yang digunakan dapat berasal dari limbah – limbah yang biasanya terbuang percuma dan mencemari lingkungan. Limbah ini dapat meliputi limbah pertanian, limbah peternakan, limbah manusia, limbah industri, hingga limbah perairan. Biogas dapat dimanfaatkan menjadi sumber energi alternatif karena kandungan metana yang cukup tinggi.
2.
Sejarah Biogas
Penemuan biogas pertama kali dilakukan oleh Van Helmot ketika ia mengamati cahaya dari bawah permukaan rawa dan menemukan bahwa itu adalah sejenis gas yang mudah terbakar. Pada dunia ilmiah, nama Volta terkenal pertama kali menyatakan bahwa produksi biogas adalah fungsi dari jumlah bahan organik yang terurai dan gas tersebut mudah terbakar pada kondisi tertentu (Herringshaw, 2009). Pada tahun 1821 untuk pertama kalinya metana diidentifikasi sebagai CH4 oleh Avogadro. Penelitian dilanjutkan oleh Pasteur yang meneliti biogas dari kotoran hewan. Ia menciptakan penerangan jalan bersumber biogas dari kotoran kuda pada tahun 1884. Pada tahun 1913, digester anaerobik pertama didirikan di Jerman, sedangkan digester berskala besar pertama dengan bahan utama dari hasil pertanian didirikan pada tahun 1950. Didirikannya digester ini menandai berkembang pesatnya jumlah digester di Jerman hingga mencapai 50 unit pada dekade 1950-an. Namun, pada saat itu harga minyak dunia sangat murah, ditambah dengan masalah-masalah teknis yang terjadi pada digester-digester tersebut, akhirnya jumlah digester yang masih beroperasi tinggal 2 unit. Krisis energi pertama yang terjadi pada sekitar tahun 1970 menyebabkan promosi akan penggunaan biogas ditingkatkan lagi, dan pada tahun 1985 sudah terdapat 75 reaktor biogas (baik dalam tahap rencana ataupun sudah dibangun) di Jerman. Pembangunan pun terus dilakukan, hingga akhirnya pada tahun 1997 tercatat terdapat lebih dari 400 unit biogas reaktor di Jerman (Kossmann). Sejarah perkembangan penerapan biogas di Indonesia diperkirakan baru mulai dikembangkan pada awal tahun 1980-an. Bantuan luar negeri yang sudah masuk antara lain dari Pemerintah Jerman (pre-fabricated tanks yang diinstalasikan di Situ Pecun, Kabupaten Serang, Banten – melalui BPPT; dan jenis yang sama dipasang di Rumah Sakit Umum Simalungun, Sumatera Utara berbahan baku kotoran babi – yang pengoperasiannya dibimbing oleh teknisi Jerman yang diperbantukan), dan Pemerintah Korea (yang dipasang di wilayah Jabotabek – melalui Departemen Koperasi). Selain itu, dengan inisiatif para peneliti lembaga litbang departemen dan perguruan tinggi, telah diterapkan di berbagai daerah, antara lain di Bandung, Sukabumi, Jawa Barat; Blitar, Malang, Magetan, Bangkalan, Jawa Timur; DI Yogyakarta; Manado, Sulawesi Utara, dan daerah-daerah lainnya. Tak bisa dilupakan beberapa pelopor
3
penyelamat lingkungan yang telah mengubah limbah industri kecil menengah menjadi biogas sebagai upaya pemenuhan energi alternatif. Khusus kasus penerapan teknologi biogas berbahan baku tinja bantuan Pemerintah Jerman yang diinstalasi di Kabupaten Serang, secara teknis berhasil dengan baik yaitu penduduk di sekitar sungai yang biasanya membuang tinjanya ke sungai telah mengubah pembuangan tinjanya ke WC untuk mengisi bahan baku digester biogas dan sudah menghasilkan biogas. Sayangnya, karena kurangnya pendekatan sosial budaya, akhirnya penduduk tidak mau memanfaatkan biogas yang dihasilkannya, sehingga proyek bantuan luar negeri tersebut tidak dapat bertahan lama. Hal tersebut umumnya juga terjadi pada teknologi biogas bantuan luar negeri lainnya (Sutarno, 2007). Sejauh ini peranan teknologi biogas yang umumnya menggunakan bahan baku kotoran ternak dan sampah domestik dalam menghasilkan energi dan pupuk alternatif belum didokumentasikan dan disosialisasikan dengan baik, sehingga belum diketahui secara pasti seberapa jauh kontribusinya baik secara lokal maupun nasional. Demikian juga terhadap berbagai masalah dan kesulitan yang dihadapi dalam pengoperasian dan pemeliharaannya di masing-masing daerah, sehingga masih belum diperoleh kepastian apa yang menjadi masalah utamanya sehingga penerapannya masih belum berkembang dengan baik hingga kini.
3.
Reaksi Pembentukan Biogas
Pembentukan biogas terjadi dalam kondisi anaerobik dan melibatkan banyak jenis mikroba dalam prosesnya. Secara umum, proses terbentuknya biogas di dalam reaktor biogas terdiri dari tiga tahap, yaitu tahap hidrolisis, acidifikasi dan pembentukan metana, atau metanogenesis. Tahapan proses pembentukan biogas dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Tahap pembentukan biogas (Marchaim, 1992 dalam Herringshaw, 2009)
1) Hidrolisis Pada tahap ini terjadi penguraian zat-zat organik ke dalam bentuk yang lebih sederhana oleh enzim-enzim seperti selulase, amilase, protease, dan lipase. Misalnya, lemak akan terurai menjadi asam lemak, protein menjadi asam amino, serta polisakarida menjadi monosakarida. 2) Acidifikasi Tahap selanjutnya ialah pembentukan asam asetat (𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻), hidrogen (𝐻2), dan karbon dioksida (𝐶𝑂2 ). Untuk memproduksi asam asetat, bakteri ini memerlukan 4
oksigen. Mereka melakukan ini dengan cara mengambil oksigen yang terlarut dalam bahan. Hal ini menciptakan kondisi anaerobik yang sangat esensial bagi proses berikutnya yaitu metanogenesis. Proses ini juga mendekomposisi molekul-molekul sederhana menjadi alkohol, asam organik, asam amino, karbon dioksida, hidrogen sulfida, dan metana. 3) Metanogenesis Pada tahap ini molekul-molekul sederhana hasil dari proses kedua disintesis menjadi metana dan karbon dioksida. Misalnya, bakteri memanfaatkan hidrogen, karbon dioksida dan asam asetat untuk membentuk metana dan karbon dioksida. Menurut suhu reaksi yang terjadi, proses produksi biogas terbagi menjadi tiga, yaitu psychrophilic yang terjadi antara 15-20 ˚C, mesophilic yang terjadi antara 20-40 ˚C, dan thermophilic antara 40-55 ˚C. Proses yang sering digunakan adalah mesophilic dan thermophilic. Proses mesophilic memiliki keunggulan yaitu produksi gas yang lebih stabil, dan mikroorganisme yang lebih tolerir terhadap fluktuasi suhu. Suhu pada proses mesophilic juga tidak terlalu jauh dari suhu ruangan, sehingga input energi untuk mengontrol suhu lebih sedikit, atau bahkan tidak perlu. Proses mesophilic memiliki keunggulan diantaranya waktu produksi (solid retention time) yang lebih sedikit, meningkatnya efisiensi reaktor, dan mikroorganisme patogenik yang lebih sedikit akibat suhunya yang tinggi. Hal yang paling menggiurkan dari proses thermophilic ialah produksi gasnya yang bisa dua kali lipat dibanding proses mesophilic.
4. Parameter Pembentukan Biogas Biogas dihasilkan dengan bantuan bakteri yang membutuhkan kondisi lingkungan tertentu agar dapat tumbuh dan berkembang biak. Kondisi lingkungan yang optimal dapat menunjang pertumbuhan bakteri, sehingga biogas yang dihasilkan pun dapat maksimal. Berikut adalah parameter dalam proses pembentukan biogas menurut Wahyuni (2011). a.
Jenis Bahan Organik (Substrat) Jenis bahan organik yang digunakan dapat berpengaruh terhadap lama waktu fermentasi oleh bakteri. Secara umum urutan kandungan bahan organik berdasarkan lamanya waktu penguraian yaitu gula, protein, lemak, hemiselulosa, selulosa, dan lignin. Bahan organik berupa limbah pertanian yang banyak mengandung selulosa dan lignin biasanya lebih lama terurai.
b.
Derajat Keasaman (pH) Derajat keasaman saat proses fermentasi akan mengalami penurunan menjadi 6 atau lebih rendah akibat terbentuknya asam organik, padahal kehidupan mikroorganisme akan efektif dengan pH 6.5 – 7.5. Setelah 2 – 3 minggu, pH akan naik kembali menandakan perkembangan bakteri metanogenetik. Penurunan pH yang ekstrem dapat dicegah dengan menambahkan larutan kapur. Derajat keasaman yang rendah menyebabkan tidak seimbangnya populasi bakteri metanogenetik terhadap bakteri asam sehingga dapat menggagalkan proses pencernaan.
5
c.
Imbangan C/N Mikroorganisme perombak dapat beraktivitas secara optimum jika imbangan C/N sebesar 25 – 30. Imbangan C/N yang tinggi dapat menyebabkan produksi metana yang rendah. Hal ini disebabkan karena kandungan N dibutuhkan untuk sumber energi untuk perkembangbiakan bakteri pengurai. Sementara itu, apabila imbangan C/N rendah maka nitrogen akan bebas dan berakumulasi dalam bentuk amoniak sehingga menyebabkan bau busuk berlebih. Rasio C/N dari beberapa bahan organik dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Rasio C/N beberapa bahan organik Bahan Kotoran bebek Kotoran manusia Kotoran ayam Kotoran kambing Kotoran babi Kotoran domba Kotoran kerbau/sapi Eceng gondok Kotoran gajah Batang jagung Jerami padi Jerami gandum Serbuk gergaji Sumber: Karki dan Dixit, 1984 dalam Wahyuni, 2011.
Rasio C/N 8 8 10 12 18 19 24 25 43 60 70 90 Di atas 200
d.
Suhu Aktivitas bakteri penghasil biogas sangat dipengaruhi oleh suhu di dalam digester. Perubahan suhu yang mendadak dalam digester biogas dapat mengakibatkan penurunan produksi biogas secara cepat. Agar suhu tetap stabil, maka digester harus diletakkan di dalam tanah. Biasanya suhu yang optimum untuk produksi biogas adalah 32 – 37 ℃.
e.
Loading Rate (Laju Pengumpanan) Laju pengumpanan bahan ke dalam digester haruslah tepat agar fermentasi berlangsung dengan optimal. Jumlah bahan yang terlalu banyak akan mengganggu akumulasi asam dan produksi metana, sedangkan jumlah bahan yang terlalu sedikit akan menurunkan produksi metana.
f.
Zat Toksik Zat toksik yang terkandung dalam bahan organik atau alat produksi biogas dapat menjadi penghambat pertumbuhan mikroorganisme sehingga menurunkan produksi biogas. Zat toksik tersebut diantaranya meliputi ion mineral dan logam berat, seperti tembaga, detergen, pestisida, kaporit, dan antibiotik yang bersifat racun.
g.
Pengadukan Pengadukan bertujuan untuk menghomogenkan bahan baku pembuatan biogas. Biasanya pengadukan dilakukan sebelum bahan dimasukkan ke dalam digester dan
6
setelah berada di dalam digester. Selain untuk mencampur bahan, pengadukan juga berfungsi mencegah pengendapan di dasar digester yang bisa menghambat proses pembentukan biogas. h.
i.
Starter Untuk mempercepat proses penguraian, dapat ditambahkan starter berupa mikroorganisme perombak. Starter yang digunakan dapat berupa starter alami, semi buatan, dan starter buatan. Starter alami dapat berupa lumpur aktif organik atau cairan isi rumen. Starter semi buatan dapat diperoleh dari instalasi biogas yang masih aktif. Starter buatan biasanya berupa bakteri metanogenetik yang sengaja dibiakkan dan banyak dijual di pasaran. Waktu Retensi Waktu retensi adalah rata-rata periode saat bahan masukan masih dalam digester dan selama proses fermentasi oleh bakteri metanogenetik. Waktu retensi berkisar antara 29 – 60 hari, bergantung pada bahan yang digunakan. Waktu retensi akan semakin singkat bila suhu di atas 35 ℃
5. Komposisi Biogas Biogas merupakan bahan bakar berwujud gas yang memiliki komposisi yang beragam. Komposisi utama biogas dapat dilihat pada Tabel 2.
No. 1 2 3 4 5
Tabel 2. Komposisi biogas Gas Hadi (1981) 54 – 70 % Metana (𝐶𝐻4) 27 – 35 % Karbon dioksida (𝐶𝑂2 ) 0.5 – 2.0 % Nitrogen (𝑁2 )
Hidrogen (𝐻2) Karbon Monoksida 0,1 % (𝐶𝑂) 6 Kecil Hidrogen Sulfida (𝐻2 𝑆) Sumber: United Nations, 1988 dalam Wahyuni, 2011
Price (1981) 65 – 75 % 25 – 30 % Kurang dari 1.0 % Kurang dari 1.0 % Kurang dari 1.0 %
Komposisi utama biogas ialah metana, dengan kandungan sekitar 60%. Inilah zat yang dimanfaatkan sebagai bahan bakar pada biogas. Selain itu, biogas juga mengandung karbon dioksida dalam jumlah cukup besar, sekitar 25 – 35 %. Kandungan karbon dioksida pada biogas sebetulnya tidak diinginkan. Walaupun tidak mengganggu pembakaran secara langsung, keberadaan karbon dioksida akan menurunkan nilai kalor dari biogas itu sendiri. Karbon dioksida dapat dihilangkan dari biogas menggunakan proses pemurnian yang mahal dan hanya layak diapikasikan pada reaktor berskala besar dan komersial. Selain karbon dioksida terdapat juga kandungan-kandungan lain dalam biogas yang sebetulnya tidak diharapkan dalam proses pembakaran, berikut beberapa di antaranya:
7
1) Uap Air Biogas yang berasal dari reaktor anaerobik biasanya jenuh akan uap air. Apabila uap air ini tidak dihilangkan, ia akan mengembun ketika terjadi kontak dengan perpipaan yang suhunya lebih rendah dan meningkatkan proses korosi dengan melarutkan kandungan hidrogen sulfida dalam biogas. Uap air juga akan memperpendek umur komponen-komponen seperti katup, regulator, dan gas meter. Apabila uap air terkondensasi dalam jumlah yang cukup banyak, ia bisa menyumbat bagian pipa yang paling rendah dan menganggu aliran biogas. Penghilangan kadar uap air ini dapat dilakukan dengan cara mendinginkan biogas. 2) Hidrogen Sulfida Hidrogen sulfida ialah komponen biogas yang sangat reaktif yang dapat membentuk asam sulfat ketika bertemu dengan uap air. Asam sulfat yang terbentuk ini dapat mengakibatkan korosi pada pipa, tangki penyimpanan biogas, dan peralatan yang memanfaatkan biogas, seperti motor bakar misalnya. Hidrogen sulfida juga bisa menyebabkan kematian pada konsentrasi di atas 700 ppmv. Hidrogen sulfida memiliki bau seperti telur busuk. Namun, setelah terpapar beberapa saat oleh hidrogen sulfida, hidung akan menjadi mati rasa dan dapat mengakibatkan misinterpretasi bahwa gas sudah hilang dari lingkungan. Hidrogen sulfida dapat dihilangkan dengan beberapa cara, seperti penyerapan menggunakan spons besi, water scrubbing, penambahan garam besi, dan oksidasi biologis. 3) Siloksan Siloksan adalah kontaminan biogas yang berupa polimer silikon organik yang digunakan pada berbagai macam produk seperti produk perawatan pribadi, industri, medis, bahkan produk makanan. Produk perawatan pribadi seperti shampoo, kondisioner rambut, kosmetik, deodoran, dan deterjen disinyalir sebagai sumber utama kandungan siloksan yang ditemukan dalam biogas. Zat ini bersifat volatil dan menguap sebagai gas selama proses reaksi dalam reaktor. Siloksan akan membentuk padatan yang abrasif dalam ruang bakar, hampir seperti pasir halus, yang akan mempercepat keausan bagian motor yang bergerak dan meningkatkan loss dalam transfer panas. Siloksan biasanya dapat dihilangkan dengan menggunakan karbon aktif atau filter grafit.
B. MOTOR BENSIN 4 TAK 1. Pengertian Motor ialah suatu mesin yang mampu mengubah suatu bentuk energi menjadi energi lain, biasanya berupa energi panas menjadi energi gerak. Oleh karena memanfaatkan proses panas dalam kerjanya, motor seperti ini dinamakan pula motor bakar. Motor bakar sendiri dapat terbagi menjadi dua menurut tempat terjadinya proses pembakaran, yaitu motor pembakaran internal dan motor pembakaran eksternal. Motor pembakaran eksternal yaitu motor yang proses pembakarannya terjadi di luar badan mesin itu sendiri, misalnya mesin uap atau turbin uap, sedangkan motor pembakaran internal ialah motor yang proses pembakarannya terjadi di dalam badan mesin itu sendiri, seperti motor bensin dan motor diesel. 8
2.
Komponen Motor Bensin
Walaupun sebuah motor bensin dapat terlihat cukup sederhana, sebenarnya terdapat ratusan komponen yang harus bekerja bersama-sama untuk mendapatkan daya. Komponen-komponen utama motor bensin dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Komponen – komponen utama sebuah motor bensin Blok Silinder: Blok silinder merupakan komponen penyusun struktur yang utama dalama motor bensin. Dalam motor multisilinder, blok silinder dicetak sebagai sebuah bagian utuh. Di atas blok silinder ini ditempatkan cylinder head. Baik cylinder head maupun silinder blok biasanya memiliki water jacket apabila mesin bertipe pendingin air atau memiliki fins, atau siripsirip apabila mesin bertipe pendingin udara. Bagian bawah blok silinder dinamakan crankcase yang berfungsi sebagai tempat cairan pelumas. Bagian dalam blok silinder yang dimesin secara akurat membentuk silinder dinamakan bore atau face. Silinder: Seperti namanya, silinder merupakan ruangan berbentuk silindris sebagai tempat piston melakukan gerak resiprokal. Volume yang bervariasi terbentuk di dalam silinder seiring bergeraknya piston dan menggambarkan proses termodinamika yang berbeda. Piston: Merupakan komponen berbentuk silindris yang berukuran tepat dengan silinder sehingga membentuk ruangan yang kedap gas bersama-sama dengan ring piston dan cairan pelumas. Pada piston juga terdapat penghubung pertama yang akan mentransmisikan gaya dari pembakaran ke poros engkol. Ruang bakar: Ruangan tertutup di bagian atas silinder oleh cylinder head dan bagian atas piston pada saat proses pembakaran. Inlet dan Exhaust Manifold: Merupakan pipa yang masing-masing berfungsi menyalurkan campuran udara-bahan bakar ke dalam ruang bakar dan membuang gas hasil pembakaran.
9
Katup Inlet dan Exhaust: Berfungsi untuk mengatur keluar masuknya campuran udarabahan bakar dan gas hasil pembakaran. Katup biasanya berbentuk seperti jamur. Busi: Merupakan komponen yang memicu pembakaran pada motor berjenis spark-ignition (SI) dan biasanya terletak di bagian atas silinder. Poros Engkol: Komponen inilah yang merubah gerakan bolak-balik piston menjadi gerak berputar yang berguna pada poros output motor. Flywheel: Torsi yang diterima oleh poros engkol selama mesin beroperasi berfluktuasi dan menyebabkan tidak stabilnya kecepatan angular poros. Untuk memperoleh torsi yang seragam maka ditambahkanlah sejumlah massa dalam bentuk roda yang dipasangkan pada poros output dan dinamakan flywheel.
3.
Istilah-istilah dalam Motor Bakar
Bore (d): Ukuran diameter dalam dari sebuah silinder dinamakan bore, dilambangkan dengan huruf d dan biasanya dalam satuan milimeter (mm) Luas Piston (A): Luas sebuah lingkaran yang diameternya adalah bore dinamakan Luas Piston, dilambangkan dengan huruf A dan dinyatakan dalam satuan 𝑐𝑚2 . Stroke (L) : Jarak yang ditempuh piston ketika bekerja dari titik terjauh dari poros engkol sampai titik terdekat dinamakan Stroke, dinyatakan dengan huruf L dan biasanya dalam satuan mm. Stroke to Bore ratio : rasio L/d merupakan parameter penting dalam klasifikasi motor bakar. Apabila d
L maka motor tersebut dinamakan oversquare. Motor oversquare biasanya mampu beroperasi pada kecepatan yang lebih tinggi karena jarak tempuh pistonnya (L) menjadi pendek. Top Dead Centre (TDC) : Posisi piston ketika berada pada posisi paling jauh dari poros engkol, disebut juga inner dead centre pada mesin dengan konfigurasi silinder horisontal. Bottom Dead Centre (BDC) : Posisi piston ketika berada pada posisi paling dekat dari poros engkol, disebut juga Outer Dead Centre pada mesin dengan konfigurasi silinder horisontal. Displacement : volume yang dilewati oleh piston selama bergerak dari TDC ke BDC. Satuan yang digunakan biasanya adalah 𝑐𝑚3 atau cc. Persamaan displacement dapat dilihat pada Persamaan 1 (Ganesan, 2007) 𝜋
𝑉𝑠 = 𝐴 × 𝐿 = 4 𝑑2 𝐿
(1)
Kapasitas mesin : Kapasitas mesin ialah volume displacement mesin dikalikan dengan jumlah silinder yang bekerja pada mesin tersebut. Misal, apabila terdapat sejumlah K silinder dalam sebuah motor, maka kapasitas mesinnya menjadi (Ganesan, 2007) 𝐾𝑎𝑝𝑎𝑠𝑖𝑡𝑎𝑠 𝑚𝑒𝑠𝑖𝑛 = 𝑉𝑠 × 𝐾
(2)
Volume Clearance (Vc) : Volume yang tersisa di atas piston ketika piston berada pada posisi TDC. Dilambangkan dengan Vc dan dinyatakan dalam satuan cc. Compression Ratio (r) : Rasio total volume silinder saat BDC, dengan volume silinder saat TDC. Dilambangkan dengan simbol r. Rumus r dapat dilihat pada Persamaan 3 (Ganesan, 2007) 𝑉
𝑟 = 𝑉𝑇 = 𝐶
𝑉 𝐶 +𝑉 𝑆 𝑉𝐶
𝑉
= 1 + 𝑉𝑠
𝐶
(3)
10
4.
Cara Kerja Motor Bensin 4 Tak
Motor bakar 4 tak adalah motor pembakaran internal (internal combustion engine) yang memiliki siklus 4 langkah, yaitu langkah hisap atau intake, tekan atau compression, power, dan pembuangan atau exhaust. Keempat langkah ini dapat dilihat pada Gambar 3. Motor bakar sendiri terbagi menjadi dua menurut cara penyalaan bahan bakarnya, yaitu CI (Compression ignition) dan SI (Spark Ignition). Motor CI memanfaatkan suhu tinggi dari kompresi pada ruang bakar, sedangkan motor SI memanfaatkan percikan bunga api dari busi pada ujung ruang bakar. Siklus pada motor SI dinamakan pula siklus Otto, sesuai penemunya yaitu Nikolaus Otto, dan motor CI dinamakan siklus Diesel, sesuai penemunya yaitu Rudolph Diesel.
Gambar 3. 4 langkah kerja motor bensin Proses ini dimulai ketika piston berada pada posisi titik mati atas (TMA). Piston bergerak ke bawah dan katup pemasukan terbuka. Proses ini menciptakan kondisi vakum dari ruangan yang ditinggalkan piston saat bergerak ke bawah dan akhirnya menghisap campuran udara-bahan bakar ke dalam silinder. Setelah mencapai titik mati bawah (TMB), katup pemasukan menutup dan piston kembali bergerak ke atas, memaksa campuran udara-bahan bakar mengecil volumenya dan naik tekanannya. Tepat piston mencapai TMA, busi akan memercikan api dan membuat campuran udara-bahan bakar meledak dan mendorong piston kembali ke bawah. Setelah kembali mencapai TMB piston kembali naik karena efek dari ledakan tadi masih ada, namun kali ini katup pembuangan terbuka dan membuang gas hasil sisa pembakaran. Piston pun sampai ke TMA dan siklus baru berlanjut seterusnya. Proses di atas terjadi pada motor 4 tak berbahan bakar bensin (SI/spark ignition engine), dan menggunakan karburator sebagai pencampur bahan bakarnya. Saat ini penggunaan motor 4 tak sangat beragam. Sebagai penggerak alat transportasi, penggerak mesin-mesin industri, sumber tenaga generator listrik, dan masih banyak lagi yang lainnya.
5.
Kesetimbangan Energi dalam Motor Bakar
Sesuai dengan hukum pertama termodinamika, energi tidak dapat dibuat atau dihancurkan. Ia hanya bisa diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Oleh karena itu, harus ada
11
kesetimbangan antara energi yang masuk dan keluar dalam suatu sistem. Dalam sebuah motor bakar energi masuk berasal dari bahan bakar yang diumpan ke dalam combustion chamber dan dibakar sehingga terjadi perubahan bentuk energi dari energi kimia menjadi energi panas. Namun, tidak semua energi ini dapat dimanfaatkan untuk menggerakkan piston dikarenakan adanya energi terbuang pada gas buang, sistem pendinginan, dan radiasi. Tingkat energi yang dimanfaatkan pada tahap ini dinamakan Indicated Power, ip, dan digunakan untuk menggerakkan piston. Daya ini selanjutnya ditransmisikan oleh gerakan piston melalui connecting rod menuju ke poros engkol. Pada tahap ini terjadi kehilangan energi akibat gesekan bearing, gesekan piston, dan kehilangan pemompaan. Selain itu, sebagian energi juga dimanfaatkan untuk berbagai keperluan, seperti mekanisme katup, pompa, sistem pengapian, dan lain sebagainya. Penjumlahan dari semua energi yang hilang dalam satuan daya pada tahap ini dinamakan frictional power, fp. Energi yang tersisa dan bermanfaat secara mekanis dinamakan brake power, bp.
6.
Parameter Kinerja Motor Bakar
Kinerja motor bakar sangat penting untuk diketahui. Hal ini berkaitan dengan berapa kemampuan motor yang dimiliki sehingga kita dapat mengetahui jenis pekerjaan apa yang cocok untuk motor tersebut. Berikut ini ialah parameter - parameter yang penting untuk diketahui berkaitan dengan kinerja motor bakar. (i)
Indicated thermal efficiency Indicated thermal efficiency merupakan rasio energi di dalam ip terhadap nilai energi bahan bakar (ii)
Brake thermal efficiency Brake thermal efficiency merupakan ratio energi di dalam brake power terhadap nilai energi bahan bakar. (iii) Mechanical efficiency Mechanical efficiency didefinisikan sebagai rasio antara brake power dengan indicated power. Mechanical efficiency bisa juga didefinisikan sebagai rasio antara brake thermal efficiency dan indicated thermal efficiency. (iv)
Volumetric efficiency Volumetric Efficiency merupakan salah satu parameter penting dalam kinerja motor bakar 4 tak. Volumetric efficiency menggambarkan kemampuan motor untuk “bernapas”. Karena penggunaan udara akan menentukan output daya dari suatu motor, maka diharapkan suatu motor bakar mampu menghisap udara sebanyak-banyaknya. Volumetric efficiency didefinisikan sebagai laju udara masuk ke dalam sistem dibagi dengan laju volume udara tersebut dipindahkan oleh sistem. Perlu ditekankan bahwa yang dihitung pada persamaan ini adalah hanya volume udara saja, bukan volume campuran udara-bahan bakar. Oleh karena itu, pada motor dengan bahan bakar berwujud gas, nilai volumetric efficiency-nya lebih kecil.
12
(v)
Relative efficiency atau efficiency ratio Relative efficiency atau efficiency ratio didefinisikan sebagai perbandingan antara efisiensi termal pada kondisi aktual dengan efisiensi termal pada kondisi ideal. (vi)
Mean effective pressure (Mep) Mean effective pressure merupakan nilai tekanan rata-rata di dalam silinder motor dihitung dari daya output yang dihasilkan. Biasanya dalam sebuah motor bakar, akan ada dua jenis mep, yaitu indicated mean effective pressure dan brake mean effective pressure. Keduanya dihitung dari indicated power dan brake power.
(vii) Mean piston speed Mean piston speed salah satu parameter penting dalam aplikasi motor bakar. Tahanan gas dalam motor dan inersia komponen yang bergerak membatasi mean piston speed antara 8 m/s hingga 15 m/s. Kendaraan bermotor biasanya beroperasi pada batas atas wilayah ini dan motor diesel besar biasanya bekerja pada batas bawah wilayah ini. (viii) Specific power output Specific power output adalah besarnya daya output dibagi dengan luasan piston. Ini merupakan salah satu indikator kesuksesan bagi insinyur dalam mendesain mesin tanpa memperhatikan ukuran silinder. (ix) Fuel-air atau Air-fuel ratio Perbandingan campuran antara udara dan bahan bakar merupakan faktor yang sangat penting dalam pembakaran dan efisiensi motor. Suatu campuran udara-bahan bakar yang tepat sesuai untuk melakukan pembakaran habis dinamakan campuran stoikiometrik atau campuran yang betul secara kimiawi. Campuran yang mengandung lebih banyak bahan bakar dari campuran stoikiometrik dinamakan campuran yang kaya, dan campuran yang mengandung bahan bakar lebih sedikit dari campuran stoikiometrik dinamakan campuran yang miskin. (x)
Nilai Kalor Nilai kalor ialah jumlah energi panas yang dihasilkan per unit jumlah bahan bakar apabila bahan tersebut dibakar hingga habis dan produk pembakaran diturunkan kembali ke suhu semula saat sebelum pembakaran.
7.
Pengujian Kinerja Motor Bakar
Pengujian kinerja motor bakar penting dilakukan untuk mengetahui nilai dari parameter – parameter kinerja suatu motor bakar. Metode yang paling umum digunakan dalam pengujian kinerja motor bakar ialah dengan menggunakan dinamometer. Sebuah dinamometer setidaknya harus memiliki 3 elemen penting yaitu: 1. 2. 3.
Pengukuran tingkat beban Pengukuran torsi Pengukuran kecepatan putar motor.
13
Dinamometer yang digunakan pada penelitian ini ialah dinamometer dengan jenis water brake dynamometer. Dinamometer ini termasuk tipe absorpsi, yaitu dinamometer yang mengukur daya dan pada saat yang sama mengubahnya menjadi bentuk lain yaitu panas. Dinamometer ini menggunakan media air sebagai media ukur dan penyerap panas akibat gesekan. Ketika dinamometer dioperasikan dan beban diberikan, beban yang terukur akan menekan lengan dinamometer dan menimbulkan torsi. Torsi dapat dihitung dengan Persamaan 4 (Pramuhadi, 2010): 𝑇 =𝑊×𝐿 (4) dimana: T = Torsi (kNm) W = Beban terukur (kN) L = Panjang lengan dinamometer (m). Selanjutnya torsi yang terukur dapat digunakan untuk mengukur daya motor. Daya dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 5 (Pramuhadi, 2010). 𝑃=
2𝜋×𝑇×𝑁 60
(5)
dimana: P = Daya motor (kW) T = Torsi (kNm) N = Putaran motor terukur (rpm). Untuk mengetahui efisiensi panas motor, selain dilakukan pengukuran terhadap torsi dan putaran motor perlu juga dilakukan pengukuran konsumsi bahan bakar spesifik. Konsumsi bahan bakar spesifik (specific fuel consumption /sfc) dapat diterjemahkan sebagai banyaknya bahan bakar yang digunakan oleh motor pada setiap kW daya yang dihasilkan dalam setiap satuan waktu tertentu. Menurut Ganesan (2008), konsumsi bahan bakar spesifik sangat mencerminkan seberapa baik kinerja suatu motor. Nilai konsumsi bahan bakar spesifik akan berbanding terbalik dengan efisiensi panas motor. Konsumsi bahan bakar spesifik dapat dihitung menggunakan Persamaan 6 (Pramuhadi, 2010). 𝑠𝑓𝑐 =
𝑓𝑐 𝑃
(6)
dimana: sfc = Konsumsi bahan bakar spesifik (𝑘𝑔 𝑠. 𝑘𝑊) fc = Konsumsi bahan bakar (𝑘𝑔 𝑠) P = Daya motor (kW).
14
Efisiensi panas motor selanjutnya dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 7 (Pramuhadi, 2010): 𝑃
𝑇𝐸 = 𝑃
𝑓
(7)
dimana: TE = Efisiensi panas P = Daya motor (kW) 𝑃𝑓 = Daya yang ada pada bahan bakar (kW). Daya yang ada pada bahan bakar dapat diartikan sebagai laju energi yang masuk ke motor dari aliran bahan bakar yang dikonsumsi oleh motor. Daya ini dapat dihitung dengan Persamaan 8 (Goering dan Hansen, 2004): 𝑃𝑓 = 𝐻𝑉 × 𝑓𝑐
(8)
Dimana: HV = Nilai kalor bahan bakar (𝑘𝐽 𝑘𝑔) fc = konsumsi bahan bakar (kg/s) Nilai efisiensi panas bisa mengacu pada Indicated thermal efficiency atau Brake Thermal Efficiency. Perbedaan keduanya terletak pada perbedaan daya yang dijadikan acuan, Indicated Power atau Brake Power.
C. KARBURASI 1. Definisi Karburasi Proses pembentukan campuran udara-bahan bakar yang mampu bakar dengan cara mencampurkan bahan bakar dan udara pada takaran yang sesuai sebelum masuk ke dalam silinder motor dinamakan karburasi dan alat yang melakukan tugas ini dinamakan karburator. Proses karburasi dipengaruhi oleh beberapa faktor berikut: 1) 2) 3) 4)
Kecepatan motor Karakteristik bahan bakar Temperatur udara masuk Desain karburator.
Motor bakar modern kebanyakan beroperasi pada kecepatan tinggi, dan menyebabkan waktu yang tersedia untuk proses pembentukan campuran udara-bahan bakar sangat sedikit. Misalnya, sebuah motor bakar yang beroperasi pada kecepatan 3000 rpm akan hanya memiliki waktu sekitar 10 ms untuk proses pembentukan campuran. Apabila kecepatannya ditingkatkan menjadi 6000 rpm, maka waktu yang tersedia tinggal 5 ms. Oleh karena itu, untuk diperoleh hasil karburasi yang baik maka kecepatan udara pada titik dimana bahan bakar dicampurkan harus
15
ditingkatkan. Hal ini diperoleh dengan membuat venturi pada jalur aliran udara. Bahan bakar dicampurkan tepat pada bagian tersempit dari venturi.
2.
Campuran Udara – Bahan bakar
Sebuah motor biasanya beroperasi pada kecepatan dan beban yang berbeda-beda. Untuk keperluan ini, campuran yang baik antara bahan bakar dan udara harus disuplai ke dalam silinder. Bahan bakar dan udara dicampur untuk membentuk tiga jenis campuran, yaitu: 1) 2) 3)
Campuran stoikiometrik Campuran kaya Campuran miskin
Campuran yang tepat secara stoikiometrik yaitu campuran yang memiliki tepat jumlah udara untuk membakar bahan bakar yang ada. Misalnya, untuk membakar satu kilogram oktana diperlukan 15.12 kg udara. Sehingga, campuran yang tepat secara stoikiomterik adalah 15.12:1. Nilai ini akan sedikit bervariasi pada berbagai jenis bahan bakar hidrokarbon. Campuran yang kaya yaitu campuran yang mengandung lebih sedikit udara dibanding campuran stoikiometrik, misalnya 10:1 atau 12:1, sedangkan campuran yang miskin yaitu campuran yang memiliki lebih banyak udara dibanding campuran stoikiometrik, misalnya 17:1 atau 20:1. Walaupun demikian, ada batasan tertentu dari nilai ini yang memungkinkan untuk terjadinya pembakaran di dalam ruang bakar. Di luar nilai itu, campuran akan terlalu kaya atau terlalu miskin untuk dibakar di dalam silinder.
3.
Prinsip Kerja Karburasi
Baik udara dan bahan bakar ditarik melewati karburator dan masuk ke silinder oleh adanya hisapan akibat gerakan ke bawah dari piston. Hisapan ini terjadi akibat peningkatan volume silinder dan berakibat pada turunnya tekanan di dalam silinder. Perbedaan tekanan antara ruang silinder dan atmosfer inilah yang menyebabkan udara mengalir masuk ke dalam ruang silinder. Di dalam karburator, udara akan bercampur dengan bahan bakar yang mengalir melalui pipa yang memiliki orifice. Jumlah bahan bakar yang tercampur ke dalam aliran udara sangat bergantung pada pressure head, atau perbedaan tekanan antara float chamber dan leher venturi.
4.
Bagian-bagian Utama Karburator Sebuah karburator pada umumnya memiliki bagian-bagian utama sebagai berikut: 1)
Saringan bahan bakar Karena bahan bakar harus mengalir melalui nosel sempit, maka harus dipastikan bahan bakar yang masuk terbebas dari partikel lain seperti debu yang menyebabkan terjadinya penyumbatan. Untuk itu diperlukan saringan bahan bakar yang berfungsi menyaring bahan bakar yang akan masuk ke dalam karburator sehingga terbebas dari partikel-partikel padat.
16
2)
Float chamber Fungsi utama float chamber dalam karburator adalah untuk menjaga supaya suplai bahan bakar berada pada pressure head yang tetap. Hal ini dilakukan dengan cara menjaga level permukaan bahan bakar pada float chamber. Biasanya float chamber memiliki mekanisme yang akan membuka katup bahan bakar saat level bahan bakar turun pada float chamber dan menutup ketika level telah cukup. 3)
Penjatah utama dan idling nozzles Sistem penjatah utama bekerja saat mesin dioperasikan pada beban tertentu atau pada kondisi full throttle, sedangkan sistem penjatah idle bekerja saat motor beroperasi pada kondisi tanpa beban/langsam. Motor bensin 4 tak biasanya memerlukan campuran yang kaya saat kondisi tanpa beban dan pada kecepatan rendah. Rasio bahan bakar yang dibutuhkan sekitar 12:1, sedangkan pada kondisi beban biasanya justru campuran yang dibutuhkan tidak terlalu kaya. Kondisi yang berbeda ini diatur dengan mekanisme penjatah utama dan penjatah idle/tanpa beban. 4)
Choke dan throttle Saat motor pertama kali dihidupkan pada kondisi dingin, biasanya proses penyalaan menjadi lebih sulit. Untuk mengatasi ini biasanya dibutuhkan rasio campuran yang sangat kaya, hingga bisa mencapai 9:1. Mekanisme yang paling populer untuk memperoleh ini ialah dengan menggunakan choke. Choke sebetulnya hanya katup butterfly yang diletakkan sebelum venturi pada karburator. Apabila katup dalam kondisi setengah tertutup, maka terjadi penurunan tekanan yang sangat besar pada venturi dan mengakibatkan bahan bakar tercampur lebih banyak pada karburator. Biasanya katup choke dilengkapi dengan mekanisme pegas, sehingga campuran yang sangat kaya ini akan kembali normal setelah motor menyala. Sedangkan output dan kecepatan motor diatur oleh katup throttle. Katup ini terletak setelah venturi pada karburator. Semakin throttle tertutup maka semakin sedikit pula jumlah campuran yang masuk ke silinder. Berkurangnya jumlah campuran berakibat pada semakin lemahnya impuls pada piston dan daya motor pun turut berkurang.
D. APLIKASI BIOGAS SEBAGAI BAHAN BAKAR PADA MOTOR BAKAR Kandungan metana yang cukup tinggi pada biogas menjadi alasan utama mengapa biogas dapat digunakan pada motor bakar sebagai pengganti bahan bakar minyak. Penggunaan biogas sebagai bahan bakar dapat diaplikasikan baik pada motor SI ataupun motor CI. Menurut Wahyuni (2011), kandungan energi pada biogas berkisar antara 6400 – 6600 𝑘𝑘𝑎𝑙/𝑚3 atau setara 26.8 – 27.6 𝑀𝐽/𝑚3 . Perbandingan nilai kalor biogas dengan bahan bakar lain dapat dilihat pada Tabel 3.
17
Tabel 3. Perbandingan nilai kalor biogas dengan berbagai bahan bakar lain No
Jenis bahan bakar
Minyak tanah 1 Elpiji 2 Solar 3 Bensin 4 Kayu bakar 5 Sumber: Wahyuni (2011)
Kesetaraan dengan 1𝐦𝟑 biogas 0.62 kg 0.46 liter 0.52 liter 0.80 liter 3.50 kg
Untuk membuat motor mampu bekerja dengan bahan bakar biogas, beberapa penyesuaian/modifikasi harus dilakukan terlebih dahulu. Beberapa hasil penelitian menggunakan metode-metode yang berbeda untuk penyesuaian ini. Namun pada intinya ialah mengubah sistem penyaluran bahan bakar dan beberapa sistem lain agar motor dapat bekerja secara optimum dengan menggunakan biogas. Karburator, seperti yang telah dijelaskan di atas, merupakan alat yang berfungsi mencampur bahan bakar dan udara dengan takaran tertentu agar diperoleh campuran yang mampu bakar pada silinder motor. Penggunaan biogas sebagai bahan bakar pengganti bahan bakar minyak akan berakibat pada modifikasi karburator. Hal ini dilakukan karena biogas yang berupa gas tidak dapat dicampurkan dengan udara menggunakan karburator biasa yang dirancang untuk mencampur bahan bakar berbentuk cair. Menurut Siripornakarachai (2007), karburator yang baik untuk karburator harus memiliki venturi dengan kurva berjari-jari 40 mm dan sudut diffuser cone sebesar 10 derajat. Pada percobaannya, biogas diumpankan ke dalam venturi melalui lubang-lubang yang berada tepat di sekeliling leher venturi dengan kecepatan aliran udara di dalam venturi berkisar antara 100 hingga 150 m/s. Jarum penjatah biogas dibuat supaya terjadi kelinearan antara bukaan jarum dan laju aliran biogas. Venturi yang digunakan terbuat dari aluminium yang dimesin dan badan karburator terbuat dari pipa PVC. Motor yang digunakan pada penelitian ini ialah motor diesel merk Hino K-13CTI dengan kapasitas 13000 cc. Selain pembuatan karburator, motor diesel mengalami serangkaian proses modifikasi agar sesuai dengan karakteristik biogas. Modifikasi tersebut meliputi pengurangan rasio kompresi dari 16:1 menjadi 8:1, Pembuatan sistem pengapian busi, pengubahan waktu pengapian, dan modifikasi waste gate pada turbocharger. Pengurangan rasio kompresi ini diperoleh dengan cara menambahkan spacer pada cylinder head motor. Pada pengujian ini didapatkan effisiensi terbaik motor sebesar 28.63%. Daya yang dihasilkan sebesar 134.2 kW dan telah lolos standar emisi yang berlaku di Thailand. Karburator yang dibuat oleh Siripornakarachai dapat dilihat pada Gambar 4.
18
Gambar 4. Karburator biogas (Siripornakarachai, 2007)
Selain pada motor Hino K-13CTI, modifikasi juga dilakukan pada motor bensin merk Nissan tipe G4-16DE dengan kapasitas mesin sebesar 1,600 cc dan jumlah katup sebanyak 16. Hasil yang terbaik pada motor ini didapat efisiensi sebesar 26.22%, dengan rasio udara bahan bakar sebesar 0.885. Rasio kompresi terbaik didapatkan sebesar 11:1. Pada penelitian ini, komponen-komponen motor yang bergerak dianalisis tingkat keausannya setelah 1000 jam kerja pada kondisi optimum. Komponen-komponen tersebut meliputi camshaft, katup dan komponen penggerak katup, piston, pin piston, ring piston, silinder, connecting rod, bearings, dan crankshaft. Hasil pengamatan yang dilakukan menunjukkan bahwa tingkat keausan motor bensin yang beroperasi pada kondisi optimum menggunakan bahan bakar biogas selama 1000 jam kerja sama dengan tingkat keausan motor bensin biasa yang bekerja pada kondisi normal selama 100,000 jam. Namun dalam penelitian ini tidak disebutkan dengan pasti kondisi biogas yang digunakan, termasuk perlakuan-perlakuan apa saja yang dilakukan pada biogas yang digunakan.
19
Sementara menurut Constant dan Naveau (1989), karburator biogas dapat dibuat dengan cara memodifikasi alat pembakar propana yang bisa didapatkan dengan mudah di pasaran. skema karburator biogas menurut Constant dan Naveau dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5. Karburator biogas (Constant dan Naveau, 1989) Selain dua model di atas, karburator biogas juga telah dicoba dibuat oleh Nijaguna. Dalam percobaannya digunakan tiga model karburator berbeda. Model pertama yaitu pipa biogas langsung dimasukkan ke dalam pipa intake udara tanpa menggunakan venturi. Model kedua yaitu pipa biogas dimasukkan ke dalam pipa udara tanpa venturi, namun pipa biogas diteruskan masuk ke dalam pipa udara dan diberi lubang-lubang kecil, sedangkan model ketiga, pipa biogas dimasukkan ke dalam pipa udara dengan venturi. Hasil percobaan Nijaguna menunjukkan bahwa model kedua memperoleh hasil yang paling baik. Selain karburator, Nijaguna juga menambahkan turbulence grid setelah karburator untuk memecah aliran udara dan biogas sehingga keduanya dapat tercampur dengan lebih baik dan pada akhirnya diperoleh campuran yang lebih homogen. Hasil pengujian yang dilakukan menunjukkan bahwa daya motor turun hingga menjadi 83%. Tiga karburator rancangan Nijaguna ini dapat dilihat pada Gambar 6.
Gambar 6. Karburator biogas (Nijaguna, 2002)
20
Peneliti lain yang telah mencoba membuat karburator biogas ialah Juan P. Trelles. Dalam hasil penelitiannya, ia merancang karburator yang hampir mirip dengan karburator Siripornakarachai, terutama dalam metode pencampuran biogas dengan udaranya. Perbedaan yang utama terletak pada adanya katup throttle. Katup ini berfungsi mengatur pasokan campuran biogas dan udara. Rancangan karburator oleh Trelles dapat dilihat pada Gambar 7.
Gambar 7. Karburator biogas (Trelles, 2007)
21
III.
ANALISIS RANCANGAN DAN KONSTRUKSI ALAT
A. KRITERIA PERANCANGAN
Karburator yang dibuat merupakan desain baru yang berbeda dengan karburator asli yang digunakan pada motor Honda GX110. Untuk itu diperlukan beberapa kriteria yang harus dipenuhi dalam perancangan karburator biogas ini. Kriteria-kriteria tersebut meliputi: a. Dapat membuat motor mampu beroperasi dengan menggunakan bahan bakar biogas b. Ukuran karburator disesuaikan dengan ruang yang tersedia pada motor, sehingga tidak memerlukan perubahan dimensi apapun pada motor, kecuali penggantian karburator. c. Dapat bekerja dengan mekanisme throttle dan governor yang ada pada motor dan tahan panas. d. Dapat dengan mudah dilepas dari motor, sehingga memudahkan apabila motor diperlukan untuk beroperasi dengan bensin. e. Dapat dengan mudah dibongkar dan dirakit kembali, sehingga memudahkan perawatan karburator, seperti pembersihan, penggantian spare part, dan lain-lain. f. Tidak mengganggu kelancaran langkah dari motor g. Murah dan Sederhana
B. RANCANGAN FUNGSIONAL Berdasarkan kriteria rancangan di atas, karburator dibuat dengan bagian-bagian yang terdiri dari venturi, selongsong venturi, choke, throttle, packing, dan flens. Hasil yang diharapkan dari rancangan ini adalah diharapkan motor mampu beroperasi dengan bahan bakar biogas menggunakan karburator hasil rancangan. Berikut adalah bagian-bagian utama karburator biogas berikut fungsinya: 1.
Venturi Venturi merupakan bagian utama dalam karburator. Di dalam venturi ini terjadi proses pencampuran antara biogas dan udara dengan rasio yang telah ditentukan. Venturi ini harus mampu menyalurkan campuran biogas dan udara ke dalam silinder tanpa mengalami kebocoran. Venturi juga harus mampu menjaga tekanan saat proses intake pada silinder, karena tekanan inilah yang menyebabkan udara dan biogas akan terhisap dan tercampur di dalam venturi. Dimensi venturi juga harus disesuaikan dengan dimensi dari motor yang digunakan. Diameter lubang venturi juga disesuaikan dengan ukuran lubang filter udara dan lubang intake manifold, sehingga aliran yang dihasilkan tidak terganggu. 2.
Selongsong venturi Selongsong venturi ialah bagian luar dari venturi yang berfungsi melindungi venturi dan menciptakan ruang kedap udara di antara venturi dan selongsongnya. Ruang ini berfungsi sebagai penampung sementara biogas sebelum masuk ke dalam venturi dan dicampur dengan udara. Pada selongsong venturi juga harus terdapat lubang inlet biogas. Lubang ini berfungsi sebagai penghubung suplai biogas dari sumber menuju karburator. Pada selongsong venturi terdapat juga penahan choke dan sekrup tanpa beban (idle). Penahan choke berfungsi agar
22
katup choke tidak berputar melebihi batas yang diijinkan. Sekrup tanpa beban berfungsi untuk mengatur putaran motor pada kondisi tanpa beban atau langsam. 3.
Seal Seal berfungsi untuk mencegah kebocoran pada ruangan di antara venturi dan selongsongnya. Hal ini diperlukan agar gas yang terhisap masuk ke dalam venturi adalah murni biogas dan tidak terkontaminasi oleh udara luar. Seal diletakkan pada dudukan seal yang sebelumnya telah dibuat pada venturi.
4.
Choke Choke merupakan sebuah katup yang terdapat pada mulut karburator. Choke berfungsi untuk mengurangi tekanan di dalam venturi yang berakibat pada jumlah bahan bakar yang masuk akan semakin besar karena perbedaan tekanan yang semakin besar. Biasa choke digunakan pada saat-saat tertentu yang membutuhkan rasio campuran bahan bakar dan udara yang lebih kaya, misalnya saat motor berada dalam kondisi dingin. Dalam kondisi ini, dibutuhkan rasio campuran yang lebih kaya dari keadaan normal. Untuk itu, choke biasanya ditutup agar terjadi penurunan tekanan yang lebih besar pada venturi. Penurunan ini menyebabkan perbedaan tekanan antara suplai bahan bakar dan venturi semakin besar. Inilah yang akhirnya membuat bahan bakar terhisap lebih banyak dan dihasilkan campuran yang lebih kaya. Namun, setelah motor berhasil dinyalakan dan stabil, choke kembali dibuka untuk mencegah konsumsi bahan bakar berlebih dan emisi yang tidak baik. 5.
Throttle Throttle merupakan sebuah katup yang secara fisik mirip dengan choke. Fungsi utama dari throttle ialah mengatur suplai campuran bahan bakar dan udara ke dalam silinder. Suplai ini akan berpengaruh pada output daya motor dan putaran motor yang dihasilkan. Throttle diletakkan setelah leher venturi, sedangkan choke diletakkan sebelum leher venturi. Throttle memiliki tuas yang terhubung dengan tuas throttle pada motor dan governor. Tuas ini berfungsi mengatur bukaan throttle pada karburator dan menjaga putaran motor tetap stabil meski beban yang diterima motor berfluktuasi. 6.
Flens Flens atau dudukan merupakan bagian yang menghubungkan karburator dengan motor dan saringan udara serta menjaga agar karburator tetap diam pada tempatnya. Flens memiliki dua buah lubang kecil yang dipasangkan pada baud karburator yang ada pada motor. Untuk menghindari modifikasi pada motor yang digunakan, jarak dan ukuran lubang ini disesuaikan dengan baud yang sudah ada pada motor yang digunakan. 7.
Komponen pengencang Komponen pengencang berfungsi untuk menyatukan piringan choke dan throttle pada batang dan tuasnya sehingga menjadi satu kesatuan yang dapat berfungsi.
23
C. RANCANGAN STRUKTURAL 1.
Venturi Venturi dirancang sesuai dengan kapasitas dan karakteristik motor yang digunakan. Spesifikasi motor bensin yang digunakan dapat dilihat pada Tabel 4.
Tabel 4. Spesifikasi motor bensin Honda GX110 Merk/tipe Honda/GX110 Bahan bakar Bensin Langkah 4 Jumlah silinder/isi 1/107𝑐𝑚3 Tipe pengapian CDI
Leher venturi merupakan bagian venturi yang sangat penting dan menentukan kinerja karburator yang dirancang. Menurut Mitzlaff (1988), kecepatan aliran udara pada leher venturi untuk karburator biogas tidak boleh melebihi 150 m/s pada kecepatan motor maksimum. Untuk menghitung diameter leher venturi agar kecepatannya tidak melebihi batas tersebut, maka harus dihitung laju intake volumetrik menggunakan Persamaan 9 (Siripornakarachai, 2007): 𝐷×𝑁𝑚𝑎𝑥
𝑉𝑖 =
2000 ×60
(9)
Dimana: 3 𝑉𝑖 = Laju intake volumetrik (𝑚 𝑠 ) 𝐷 = Kapasitas silinder motor (liter) 𝑁𝑚𝑎𝑥 = Kecepatan putar motor maksimum (rpm)
Untuk memastikan motor dapat bekerja dengan baik dan tidak mengalami hambatan berlebih karena adanya venturi maka diameter leher venturi dibuat sama dengan diameter karburator asli motor Honda GX110, yaitu sebesar 10 mm. Untuk memastikan kecepatan aliran udara di dalam venturi tidak melebihi batas, maka kecepatan dihitung dengan Persamaan 10 (Mitzlaff, 1988). 𝑉
𝑣 = 𝐴𝑖
(10)
𝑣
Dimana: 𝑣 = Kecepatan aliran udara pada leher venturi (m/s) 3 𝑉𝑖 = Laju intake volumetrik (𝑚 𝑠 ) 2 𝐴𝑣 = Luas penampang leher venturi (𝑚 𝑠 )
24
Luas penampang leher venturi dapat dihitung menggunakan Persamaan 11 (Mitzlaff, 1988).
𝐴𝑣 =
𝜋𝑑 2 4
(11)
Dimana: 𝐴𝑣 𝑑
2 = Luas penampang leher venturi (𝑚 𝑠 ) = diameter leher venturi (m)
Dengan menggunakan asumsi putaran motor maksimum sebesar 4000 rpm dan diameter leher venturi sebesar 10 mm, didapatkan laju intake volumetrik motor sebesar 3.57 𝑚3 𝑠 dan kecepatan udara pada leher venturi sebesar 45.4 m/s, artinya desain karburator ini masih layak untuk dibuat. Venturi ini memiliki panjang total 60 mm, sesuai dengan panjang karburator asli motor Honda GX110. Diameter lubang bagian depan venturi disamakan dengan diameter saluran saringan udara, yaitu sebesar 24 mm. Diameter bagian belakang venturi debut sama dengan diameter intake manifold, yaitu sebesar 15 mm. Masing – masing ujung venturi dikurangi diameternya menjadi 28 mm sebagai tempat untuk dudukan. Pada venturi ini debut juga dua buah cekungan sebagai dudukan O–ring seal. Dimensi dudukan ini sangat vital dalam perancangan, karena kedudukan o-ring sangat mempengaruhi bocor atau tidaknya karburator yang debut. O-ring yang digunakan dalam karburator ini memiliki ketebalan karet sebesar 1.5 mm. Untuk itu, dibuatlah gland atau cekungan dengan lebar 1.8 mm dan kedalaman 1.1 mm. Lebar dudukan dibuat lebih lebar dari ketebalan o-ring sedangkan kedalaman dudukan debut lebih kecil dari ketebalan karet o-ring. Hal ini dilakukan untuk mengakomodasi deformasi yang terjadi pada o-ring saat dipasang. Panduan pembuatan gland dapat dilihat pada Gambar 8 dan Tabel 5.
Gambar 8. Dimensi O-Ring dan Dimensi Gland (FreudenBerg and NOK Group, 2012)
25
Tabel 5. Petunjuk dimensi gland berdasarkan diameter cross section O-ring (FreudenBerg and NOK Group, 2012) Cross Section (CS) in mm
Width (W)
Height (H)
1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 6.50
1.30 1.80 2.60 3.20 3.90 4.50 5.20 5.80 5.50 6.00 6.50 7.00
0.80 1.10 1.50 1.90 2.30 2.70 3.15 3.60 4.30 4.70 5.00 5.50
Permukaan hasil proses pemesinan juga harus diperhatikan dalam pembuatan venturi. Bagian dalam venturi dibuat sehalus mungkin agar aliran fluida tidak mengalami hambatan yang terlalu besar. Begitu juga bagian luar venturi dibuat halus agar memudahkan pemasangan selongsong saat dirakit. Untuk membuktikan rasio campuran udara – biogas yang tepat, maka karburator harus bisa diuji dengan kisaran rasio udara – bahan bakar yang cukup luas. Untuk mengakomodasi hal ini, lubang – lubang port biogas dibuat dengan diameter 3 mm sebanyak 8 buah yang tersebar di sekeliling leher venturi. Saat pengujian, setiap perlakuan memerlukan jumlah lubang yang berbeda, untuk itu disediakan pula lem untuk menutup lubang biogas sesuai jumlah yang dibutuhkan. Rasio luas penampang lubang udara dan lubang biogas diharapkan akan mempengaruhi rasio campuran udara dan biogas yang dihasilkan. Perhitungan diameter venturi, rasio luas penampang lubang udara dan lubang biogas dapat dilihat pada Lampiran 2 mengenai analisis teknik. 2.
Selongsong venturi Selongsong venturi dibuat sedikit lebih besar dari diameter luar venturi, yaitu sebesar 33.3 mm untuk memudahkan proses perakitan sekaligus mencegah kebocoran. Selongsong yang terlalu besar akan berakibat pada kebocoran akibat o-ring yang tidak tertekan dengan baik sedangkan selongsong yang terlalu kecil akan menyebabkan kesulitan saat perakitan dan bisa menyebabkan o-ring ikut tertarik keluar dari dudukannya oleh selongsong sehingga menyebabkan kebocoran bahkan o-ring bisa putus. Panjang selongsong venturi dibuat sebesar 50 mm, 10 mm lebih kecil dari panjang venturi. Sisa 10 mm ini digunakan oleh dua buah dudukan yang masing – masing memiliki ketebalan 5 mm. Bagian dalam selongsong venturi harus memiliki permukaan yang sangat halus dan tidak boleh memiliki tonjolan sedikit pun, karena akan menyulitkan proses perakitan dan bisa merusak o-ring seal.
26
3.
Seal Seal sangat mudah ditemukan di pasaran dengan berbagai spesifikasi dan ukuran. Pada karburator ini seal yang digunakan berjenis o-ring seal dengan nomor 025. Seal ini memiliki diameter dalam sebesar 30 mm dengan ketebalan karet sebesar 1.5 mm. 4.
Choke Choke merupakan bagian yang memiliki beberapa komponen, terdiri dari piringan choke, batang choke, tuas choke, dan baud pengencang. Bagian ini dirakit bersama menjadi satu kesatuan fungsional. Piringan choke dibuat dari plat aluminium dengan ketebalan 1mm. Piringan ini dibuat dengan diameter sedikit lebih kecil dari lubang bagian depan karburator, yaitu sebesar 23 mm. Bagian tengah piringan ini dilubangi sebesar 3 mm sebagai lubang untuk baud pengencang. Batang choke dibuat dari besi dengan diameter sebesar 5.5 mm dengan panjang 39 mm. Bagian bawah batang choke dibuat agak membulat untuk memudahkan choke untuk diputar. Pada bagian dimana piringan akan dipasang, batang choke digerinda hingga membentuk setengah silinder. Pada bagian tengahnya dibuat ulir dengan ukuran M3x1.25 hingga menembus batang choke. Tuas choke dibuat dari akrilik ketebalan 5 mm dan dibentuk hingga menyerupai bentuk tuas choke karburator bensin. Tuas dan batang disatukan dengan cara dilem menggunakan lem epoxy sedangkan piringan dipasang dengan cara dikencangkan dengan baud. 5.
Throttle Secara umum, throttle sangat mirip dengan choke dalam hal fungsional maupun struktural. Piringan throttle dibuat sesuai dengan diameter lubang belakang karburator yaitu sebesar 15 mm. Namun, piringan throttle tidak dibuat lingkaran sempurna melainkan dibuat elips dengan salah satu diameternya lebih besar dari diameter lubang karburator, yaitu sebesar 16 mm. Tujuan dari bentuk elips ini ialah agar throttle tidak berputar 360 derajat saat beroperasi karena tertahan oleh dimensinya yang lebih besar dari lubangnya. Throttle dikencangkan pada batang throttle dengan baud dengan ukuran yang sama dengan choke, yaitu M3x1.25. Batang throttle dibuat sepanjang 42 mm, lebih panjang dari batang choke untuk menyesuaikan dengan mekanisme pengaturan throttle yang ada pada motor yang digunakan. Tuas throttle pun dibuat semirip mungkin dengan tuas throttle karburator bensin secara fungsional agar mampu bekerja dengan mekanisme throttle dan governor yang telah ada. 6.
Dudukan Dudukan dibuat dari strip aluminium dengan ketebalan 5 mm. Dudukan memiliki 3 buah lubang. Lubang pertama di tengah berukuran 28 mm dan disambungkan langsung dengan venturi. Dua lubang lainnya berukuran 7 mm dan berada di sisi luar dudukan. Lubang – lubang ini dpasangkan pada baud pengencang karburator yang ada pada motor. Jarak pusat ke pusat dua lubang ini ialah sebesar 44 mm, agar sesuai dengan jarak baud pengencang yang ada.
27
IV.
METODE PENELITIAN
A. WAKTU DAN TEMPAT PENELITIAN
Studi pustaka, pembuatan konsep desain dan gambar kerja dilakukan pada bulan Maret – April 2012. Pembuatan alat dan pengujian dari bulan Mei – Agustus 2012. Selang waktu tersebut juga digunakan untuk perbaikan penyempurnaan alat. Tempat pembuatan alat dilaksanakan di Laboratorium Lapangan Siswadhi Soepardjo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Pengujian alat dilakukan di laboratorium Motor Bakar, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Pengujian juga dilakukan di PT SWEN Inovasi Transfer yang beralamat di jalan Cikerti nomor 23, Kelurahan Padasuka, Kecamatan Ciomas, Kabupaten Bogor.
B. METODE PEMBUATAN KARBURATOR BIOGAS 1. Bahan dan Alat Bahan dan alat yang digunakan dalam pembuatan karburator sebisa mungkin berasal dari bahan-bahan yang mudah didapatkan di pasaran dan harganya murah. Detail biaya pembuatan untuk atu unit karburator ini dapat dilihat pada Lampiran 3. Bahan dan alat yang digunakan dalam pembuatan karburator biogas adalah sebagai berikut: a)
Bahan utama pembuatan karburator adalah: (1) Batang Aluminium diameter 1.5 inch (2) Batang Kuningan diameter 1.5 inch (3) Niple kuningan ukuran 3/8 inch (4) Strip aluminium ketebalan 5 mm (5) O-ring seal nomor 025 (6) Batang besi diameter 5.5 mm (7) Akrilik ketebalan 5 mm (8) Baud ukuran M3 (9) Plat aluminium ketebalan 1 mm (10) Pegas diameter 5 mm
b) Peralatan utama dalam pembuatan karburator adalah: (1) Mesin bubut (2) Mesin milling (3) Gerinda (4) Mesin Bor duduk (5) Kikir (6) Gergaji
28
(7) Kertas Amplas (8) Las karbid (9) Jangka sorong
c)
Alat/instrumen yang digunakan dalam pengujian karburator meliputi: (1) Dinamometer merk DynoMite
Gambar 9. Dinamometer
(2) (3) (4) (5) (6)
Komputer pribadi beserta perangkat lunak Dyno-Max Motor Bensin Honda GX110 Dudukan Motor Kantong biogas Perlengkapan kunci pas dan obeng
29
2.
Proses Pembuatan Karburator Biogas
Proses Pembuatan karburator dibagi ke dalam beberapa tahapan. Secara umum tahapan – tahapan dalam perancangan karburator dapat dilihat pada Gambar 10. mulai
Karakteristik biogas, komposisi biogas
Identifikasi permasalahan dan Target yang akan dicapai
Tipe motor, kapasitas, daya, dimensi
Tahap 1 Air to Fuel ratio, Diameter venturi, diameter dan jumlah port
Penentuan parameter rancangan, rancangan fungsional dan struktural karburator Tidak Layak
Analisis Teknik
Layak
Tahap 2 Gambar Teknik
Pembuatan Tahap 3 Uji Fungsional dan Performa Tahap 4 Selesai
Gambar 10. Diagram alir rancang bangun karburator biogas
30
Dari diagram alir pada Gambar 8, terlihat ada 4 tahapan umum dalam proses rancang bangun karburator biogas. Tahap 1 dan 2 telah dijelaskan cukup rinci pada bab sebelumnya. Pada tahap 3 atau tahap pembuatan gambar kerja dan manufaktur prototipe terdapat tahapan – tahapan yang lebih spesifik. Diagram alir yang lebih spesifik dalam proses manufaktur prototipe diperlihatkan dalam Gambar 11.
Gambar Kerja
Pembuatan Venturi
Pembuatan Dudukan
Pembuatan Selongsong Venturi
Pembuatan choke dan throttle
Pembuatan lubang choke dan throttle
Perakitan komponen
Pengujian Fungsional dan Kinerja
Gambar 11. Diagram alir pembuatan prototipe karburator biogas
Prototipe karburator telah siap untuk dibuat apabila gambar teknik telah selesai dibuat. Gambar teknik karburator biogas ini dapat dilihat pada Lampiran 6. Tahap pertama dimulai dengan pembuatan venturi. Bahan yang digunakan adalah aluminium berbentuk silinder pejal dengan diameter 1.5 inch. Aluminium ini dibubut hingga membentuk venturi sesuai dengan bentuk dan dimensi yang tertera pada gambar kerja. Venturi yang dibuat harus memiliki permukaan yang sehalus mungkin. Ini dilakukan untuk mengurangi beban gesekan udara saat karburator dioperasikan. Proses penghalusan ini dilakukan menggunakan kertas amplas saat benda masih berputar di mesin bubut. Setelah dibubut, venturi dilubangi tepat pada lehernya sebanyak 8 lubang dengan diameter masing-masing lubang sebesar 3 mm. 8 lubang ini harus memiliki posisi yang simetris, sehingga sudut antar lubang dibuat sebesar 45 derajat. Tahap kedua ialah pembuatan dudukan. Dudukan dibuat menggunakan mesin milling sesuai bentuk dan dimensi pada gambar kerja. Ukuran lubang tengah dudukan harus dicek dengan dimasukkan pada ujung venturi. Koreksi diameter dapat sedikit dilakukan pada ujung venturi agar diperoleh posisi yang benar – benar tepat ketika dudukan dipasang pada venturi. Tahap ketiga ialah pembuatan selongsong venturi. Selongsong dibuat dari batang kuningan pejal berdiameter 1.5 inch. Kuningan dibubut bagian dalamnya hingga membentuk pipa sesuai
31
dimensi yang ditentukan. Sebetulnya proses ini tidak efektif karena bagian kuningan yang terbuang akan lebih banyak daripada yang terpakai. Proses ini dapat digantikan dengan menggunakan pipa kuningan, namun setelah dicari di pasaran ternyata tidak ada pipa kuningan yang memiliki diameter yang sesuai dengan kebutuhan. Bagian dalam selongsong harus benar – benar halus. Permukaan yang kasar dapat menyulitkan proses perakitan dan membuat O-ring tertarik keluar dari dudukannya dan bahkan terputus. Untuk itu setelah dibubut selongsong dihalus secara manual menggunakan kikir dan kertas amplas. Proses penghalusan menggunakan kertas amplas dilakukan secara bertahap mulai dari tingkat kekasaran sedang, halus, hingga paling halus. Proses berikutnya ialah pemasangan lubang inlet biogas. Pemasangan ini dimulai dengan pembuatan lubang pada selongsong menggunakan bor. Pada lubang ini selanjutnya dipasang niple kuningan dan dilas. Proses pengelasan niple harus sangat teliti dan hati – hati. Pengelasan yang salah akan menyebabkan lelehan kuningan masuk ke dalam selongsong, terjadi deformasi pada selongsong akibat panas, atau bahkan selongsong ikut meleleh saat proses pengelasan. Bagian dalam hasil pengelesan harus tetap halus dan tidak ada tonjolan sedikit pun pada bagian dalam selongsong. Pada bagian samping selongsong, dibuat cekungan sepanjang selongsong sebagai tempat baud pengencang karburator. Cekungan dibuat pada kedua sisi selongsong dengan sudut sebesar 20 derajat dan dibuat menggunakan gerinda. Tahap keempat ialah pembuatan choke dan throttle. Pembuatan choke dan throttle dimulai dengan membentuk plat menjadi piringan berdiameter 23 mm untuk choke dan 16 mm untuk throttle dengan menggunakan gerinda dan kikir. Lalu di tengah – tengah piringan tersebut dilubangi dengan bor ukuran 3 mm untuk tempat baud pengencang. Proses berikutnya yaitu membentuk batang besi berdiameter menjadi batang choke dan throttle. Batang ini digerinda ujungnya hingga membentuk kurva. Lalu pada bagian yang akan dipasangkan piringan, batang digerinda setengahnya sehingga penampangnya berbentuk setengah lingkaran. Hal ini bertujuan agar batang menjadi lebih ramping dan tidak mengganggu aliran udara ketika karburator dioperasikan. Di tengah – tengah bagian yang digerinda ini selanjutnya dilubangi dengan bor ukuran 2.5 mm dan dibuat ulir dengan tap ukuran M3 dengan pitch 1.25. Tahap berikutnya ialah pembuatan tuas choke dan throttle. Tuas dibuat menggunakan akrilik dengan ketebalan 5 mm. Akrilik ini dibentuk menggunakan gerinda, bor dan dilem agar berbentuk seperti tuas choke dan throttle pada karburator bensin. Setelah semua bagian dibuat, maka choke dan throttle dapat dirakit menjadi satu kesatuan. Tuas dan batang direkatkan menggunakan lem epoxy sedangkan piringan dikencangkan menggunakan baud. Tahap kelima ialah pembuatan lubang untuk choke dan throttle serta pembuatan penahan choke dan sekrup tanpa beban. Lubang ini sengaja dibuat setelah komponen – komponen lain selesai agar lubang yang dihasilkan benar – benar lurus dan sejajar. Pembuatan lubang dimulai dengan merakit venturi dan selongsongnya. Venturi dirakit dengan o-ring dan selongsong dengan bantuan pelumas. Setelah terpasang kuat, selongsong dilubangi menggunakan bor duduk hingga menembus venturi pada posisi dan sampai pada kedalaman yang sesuai dengan gambar kerja. Setelah satu lubang dibuat, pasangkan choke atau throttle pada lubang tersebut sesuai tempatnya dan kencangkan. Lalu buat lubang lainnya dengan kondisi choke atau throttle masih terpasang kencang, sehingga posisi lubang tadi tidak berubah saat lubang kedua dibuat. Setelah lubang dibuat, choke dan throttle dipasang dan selanjutnya dipasang pembatas choke dan sekrup tanpa beban menggunakan lem. Pembatas choke dan throttle dibuat dari akrilik dan pada pada pembatas throttle diberi baud yang berfungsi sebagai sekrup tanpa beban.
32
Tahap keenam dan terakhir ialah proses perakitan. Semua komponen yang telah dibuat dibersihkan dari sisa – sisa kotoran dan diberi pelumas. Lalu tiap bagian dirakit hingga menjadi karburator yang utuh.
C. METODE PENGUJIAN Karburator diuji untuk mengetahui pengaruhnya pada kinerja motor. Parameter yang diukur pada pengujian ini meliputi putaran motor, daya, dan torsi yang dihasilkan. Karburator diuji pada berbagai perlakuan sesuai jumlah lubang biogas yang terbuka. Jumlah lubang biogas yang terbuka akan mempengaruhi rasio luas penampang antara lubang udara masuk dan lubang biogas. Rasio luas penampang ini dapat dilihat pada Tabel 6.
Nomor 1 2 3 4
Tabel 6. Perlakuan saat pengujian dan rasio luas penampang Perlakuan (jumlah lubang) Rasio Luas penampang 2 1 : 5.556 4 1 : 2.778 6 1 : 1.852 8 1 : 1.389
Secara teoritis rasio ideal antara biogas dan udara dapat dihitung menggunakan reaksi pembakaran yang terjadi dalam silinder sebagai berikut: 𝐶𝐻4 + 2𝑂2 → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2 𝑂
(12)
Koefisien pada reaksi di atas memperlihatkan rasio yang dibutuhkan antara metana dan oksigen yang dibutuhkan, yaitu sebesar 1:2. Walaupun nilai ini dinyatakan dalam satuan mol, namun dengan mengasumsikan gas –gas yang terlibat ialah gas ideal maka sesuai hukum Avogadro maka nilai rasio ini juga berlaku untuk volume. Hal ini terjadi karena biogas dan udara dicampur pada tekanan yang sama di dalam venturi. Dengan asumsi kandungan metana pada biogas sebesar 60% dan kandungan oksigen ada udara sebesar 20.9%, didapatkan rasio yang ideal antara biogas dan udara sebesar 1:5.7. Pengujian dilakukan menggunakan dinamometer merk Dyno-Mite dengan perangkat lunak Dyno-Max yang telah diinstal pada seperangkat komputer pribadi. Dinamometer yang digunakan berjenis water brake, artinya dinamometer memanfaatkan air sebagai sumber gesekan dengan poros motor. Untuk itu pengujian dilakukan di dalam laboratorium dekat dengan sumber air. Langkah dalam melakukan pengujian dimulai dengan mempersiapkan segala perlengkapan, termasuk motor bensin, karburator biogas, toolbox beserta isinya, dinamometer, komputer pribadi beserta perangkat lunak perekam data, dan sumber air. Dinamometer dipasang pada poros motor dan dikencangkan. Semua selang-selang penyalur air dihubungkan pada sumber air dan dinamometer serta tempat pembuangan air. Selanjutnya dinamometer dan komputer dihubungkan menggunakan data recorder dan kabel yang tersedia. Setelah semua perangkat keras terhubung, komputer dinyalakan dan perangkat lunak Dyno-Max dijalankan. Dalam pengujian ini setidaknya ada tiga orang untuk dilibatkan. Satu orang bertugas memberi beban dinamometer, satu orang bertugas menyalakan motor dan berjaga di dekat motor selama pengujian, sementara satu orang sisanya bertugas mengatur katup biogas dan mengoperasikan komputer. Sebelum dilakukan pengujian, motor dipanaskan terlebih dahulu dengan cara dinyalakan dan dibiarkan pada rpm rendah selama beberapa menit. Hal ini perlu dilakukan agar semua sistem di
33
dalam motor telah berjalan normal, terutama sistem pelumasan. Dengan demikian data yang didapatkan dapat lebih valid. Pengujian dimulai dengan menjalankan motor hingga pada putaran maksimum yang bisa dicapai. Putaran maksimum ini diperoleh dengan cara mengatur throttle dan katup biogas. Setelah motor stabil pada putaran maksimumnya, data mulai direkam dan beban diberikan perlahan dengan cara memutar katup load pada dinamometer dengan sangat halus dan perlahan. Proses pemberian beban harus dilakukan dengan sangat hati-hati, karena lonjakan beban yang terlalu besar akan membuat putaran motor turun drastis sehingga data yang dihasilkan tidak merata di setiap rpm. Selama pemberian beban layar komputer harus terus diperhatikan untuk melihat torsi dan rpm yang dihasilkan. Ketika putaran motor telah menurun dan torsi turun maka pengujian telah selesai dilakukan Beban dapat dilepaskan dan ketika motor telah stabil di putaran tinggi, motor dapat dimatikan. Setiap perlakuan dilakukan pengujian sebanyak tiga kali untuk memastikan data yang dihasilkan benar-benar valid. Gambar dinamometer dan perangkat komputer pribadi ditunjukkan pada Gambar 12 sedangkan skema setup pengujian ditunjukkan pada Gambar 13.
Gambar 12. Komputer pribadi dengan perangkat lunak Dyno-MAX (kiri) dan dinamometer yang telah terpasang pada motor bensin (kanan).
34
Suplai Biogas
Motor Suplai air Karburator
Dinamometer Katup Load
Data Controller
Pembuangan Air
Sumber listrik AC 220 V 5060 Hz
DC Adaptor 12 V
Komputer Pribadi
= Biogas = Air = Listrik = Data
Gambar 13. Skema setup pengujian karburator biogas
D. SIMULASI ALIRAN MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)
Karakteristik aliran dan campuran antara biogas dan udara dalam karburator biogas sulit dilihat secara langsung karena proses pencampuran terjadi di dalam badan karburator dan kedua bahan tersebut sama-sama tidak bisa dilihat langsung secara kasat mata. Untuk memprediksi karakteristik aliran dan proses pencampuran maka digunakanlah simulasi menggunakan computational fluid dynamics (CFD). Simulasi dilakukan menggunakan perangkat lunak ANSYS FLUENT Versi 13, sementara itu pembuatan model geometri venturi dan diskretisasi (meshing) menggunakan perangkat lunak GAMBIT. Model dan persamaan dasar yang digunakan dalam simulasi karburator biogas adalah model multifasa dan model viskos. Model aliran multifasa digunakan untuk mendefinisikan dua jenis material yang berbeda (biogas dan udara). Pada FLUENT disediakan beberapa model untuk aliran multifasa, yaitu Volume of Fluid (VOF), mixture, dan eulerian. Output yang diharapkan dari simulasi ini ialah mengetahui karakteristik aliran dan campuran antara biogas sehingga model yang tepat untuk 35
digunakan ialah model mixture. Model viskos yang digunakan ialah model k-epsilon karena jenis aliran yang disimulasikan ialah aliran turbulen. Model k-epsilon merupakan model yang cukup akurat menganalisis aliran turbulen. Selain itu, model k-epsilon juga sangat stabil dalam menganalisis aliran dan komputasinya relatif lebih singkat. Aliran di dalam karburator terjadi akibat adanya perbedaan tekanan antara tekanan atmosfer pada ujung choke karburator dan tekanan pada intake manifold. Supaya aliran dapat disimulasikan dengan tepat maka nilai tekanan pada intake manifold harus diketahui. Tekanan pada intake manifold dapat dinyatakan dalam Persamaan 13 (Mitran, 2008): 𝑃𝑖𝑛𝑡𝑎𝑘𝑒 = 𝑃0 − Δ𝑃𝑠𝑎 Dimana: 𝑃𝑖𝑛𝑡𝑎𝑘𝑒 𝑃0 Δ𝑃𝑠𝑎
(13)
= Tekanan pada intake manifold (Pa) = Tekanan atmosfer (Pa) = Perbedaan tekanan (Pa)
Perbedaan tekanan antara atmosfer dan tekanan pada intake manifold disebabkan oleh adanya kehilangan tekanan akibat gesekan dan hambatan lain yang terdapat pada manifold. Secara umum kehilangan tekanan ini dapat dinyatakan dengan Persamaan 14 (Mitran, 2008): Δ𝑃 = 𝛾 × 𝑑 Dimana: Δ𝑃 𝛾 𝑑
(14)
= Kehilangan tekanan (Pa) = Berat Jenis (N/𝑚3 ) = head loss (m)
Nilai head loss ini dapat dibagi menjadi dua komponen (Mitran, 2008): = 𝑖 + 𝑠
(15)
Dimana: 𝑖 = head loss linear (akibat gesekan) (m) 𝑠 = head loss akibat belokan/sambungan (m) Head loss linear dapat dihitung menggunakan Persamaan Darcy (Mitran, 2008): 𝑙
𝑊2
= 𝜆 . 𝐷 . 2𝑔
(16)
Dimana: 𝜆 = koefisien head loss linear 𝑙 = panjang pipa manifold (m) 𝐷 = diameter dalam pipa manifold (m) W = kecepatan aliran fluida (m/s) g = percepatan gravitasi (𝑚 𝑠 2 )
36
Karakteristik aliran dapat dinyatakan dengan bilangan Reynold, yang bisa dihitung menggunakan Persamaan 17 (Mitran, 2008): 𝑅𝑒 =
𝑊.𝐷
(17)
𝑣
Dimana: v = viskositas kinematik (𝑚2 𝑠) Koefisien head loss linear dapat dihitung menggunakan persamaan Moody untuk bilangan 4.103 < 𝑅𝑒 < 107 (Mitran, 2008):
𝜆 = 0.0055. 1 + 20000. 𝜀 +
10 6
1 3
𝑅𝑒
(18)
Dimana: 𝜀 =𝛿 𝐷 𝛿 = Kekasaran rata-rata permukaan dalam manifold (m) Head loss akibat belokan dapat dihitung menggunakan persamaan Weissenbach (Mitran, 2008): 𝑊2
𝑠 = 𝜉. 2𝑔
(19)
Perhitungan secara lengkap untuk menghitung tekanan pada intake manifold dapat dilihat pada Lampiran 4. Input data yang dimasukkan pada boundary conditions atau kondisi batas pada perangkat lunak simulasi dapat dilihat pada Tabel. Tabel 7. Input data pada boundary conditions simulasi CFD
No.
Variabel
1 2 3 4
Fasa Massa Jenis (𝑘𝑔 𝑚3 ) Tipe Tekanan (kPa)
Inlet udara Udara 1.2 Pressure inlet 101.325
Zona Inlet biogas Biogas 1.164 Pressure inlet 101.325
Outlet Mixture Mixture Pressure outlet 101.003
37
Bagan alir proses simulasi menggunakan CFD dapat dilihat pada Gambar 14.
Mulai Pembuatan Geometri dan meshing Venturi Pengecekan Mesh
Mesh Baik (<0.9)?
GAMBIT
Pendefinisan kondisi batas geometri (inlet udara, inlet biogas, outlet)
Mesh Baik?
Ya
Koreksi Data
Penentuan kondisi batas Proses Numerik ANSYS FLUENT Iterasi Error?
Selesai
Gambar 14. Diagram alir prosedur simulasi
38
V.
HASIL DAN PEMBAHASAN
A. PROTOTIPE KARBURATOR BIOGAS
Karburator biogas yang dirancang berfungsi mencampur udara dan biogas untuk selanjutnya dimasukkan ke dalam silinder motor untuk dibakar dan menggantikan bensin sebagai bahan bakar. Walaupun bentuk karburator yang dibuat berbeda dengan karburator asli motor tersebut, bagian – bagian yang memiliki fungsi sama didesain berukuran sama agar mekanisme kerja motor tidak terganggu dengan adanya penggantian karburator. Perbandingan antara karburator hasil rancangan dan karburator asli ditunjukkan pada Gambar 14.
Gambar 15. Perbandingan karburator bensin(kiri) dan karburator biogas hasil rancangan(kanan) Pada Gambar 12 terlihat bahwa bentuk karburator biogas lebih sederhana apabila dibandingkan dengan karburator bensin. Hal ini disebabkan karena banyak bagian – bagian pada karburator bensin yang tidak lagi dibutuhkan pada karburator biogas, seperti mangkok penampung bensin, filter bahan bakar, dan pelampung. Karburator biogas yang telah dibuat secara umum telah memenuhi kriteria perancangan yang ditentukan. Prototipe yang dibuat telah berfungsi dengan baik pada setiap komponennya dan sesuai dengan gambar kerja yang dibuat. Bagian – bagian prototipe karburator biogas yang telah dibuat dapat dilihat pada Gambar 15.
39
Gambar 16. Bagian – bagian karburator biogas hasil rancangan
Bagian – bagian karburator biogas sesuai dengan nomor yang tertera pada Gambar 13 meliputi venturi yang ditunjukkan oleh nomor 1, selongsong venturi (nomor 2), Katup throttle (nomor 3), katup choke (nomor 4), dudukan (nomor 5), dan O-ring seal (nomor 6). Pemasangan karburator biogas ini diharapkan tidak mengubah apapun pada motor bensin kecuali karburator asli yang dilepas. Untuk itu, dalam gambar kerja semua bagian dari karburator dirancang agar benar – benar dapat dipasang pada motor tanpa mengganggu kinerja bagian lain dan mampu beroperasi dengan mekanisme yang telah ada pada motor tersebut. Setelah prototipe dibuat dan dicoba dipasangkan pada motor, diketahui bahwa karburator sama sekali tidak menggannggu kinerja bagian lain pada motor dan tuas throttle pada karburator mampu mengikuti mekanisme throttle yang ada pada motor. Prototipe karburator yang telah terpasang pada motor bensin dapat dilihat pada Gambar 16.
Gambar 17. Motor bensin yang telah dipasang karburator biogas
Venturi yang dibuat secara umum telah sesuai dengan gambar kerja. Walaupun demikian, ada beberapa bagian venturi yang tidak sepenuhnya sesuai dengan gambar kerja. Bentuk venturi yang dibuat cenderung membentuk sudut dan tidak membentuk kurva yang sempurna. Hal ini terjadi akibat keterbatasan alat – alat yang ada. Selain itu permukaan bagian dalam venturi tidak sehalus yang
40
direncanakan pada gambar kerja. Selain kedua hal tersebut, bagian – bagian lain dalam venturi telah sepenuhnya sesuai dengan gambar kerja yang dibuat. Selongsong venturi yang dibuat dapat berfungsi dengan baik dan dapat dipasang pada venturi dengan posisi yang pas. Hasil bubut pada bagian dalam venturi ternyata kasar, tidak sesuai dengan gambar kerja yang dibuat. Agar permukaan menjadi halus, bagian dalam selongsong dikikir menggunakan tangan dan diamplas secara bertahap hingga dihasilkan permukaan yang benar – benar halus. Hasil yang kurang baik juga terdapat cekungan di kedua sisi selongsong. Cekungan ini kurang rapi akibat pembuat yang kurang terampil dalam menggunakan gerinda tangan. Selain itu, kekurangan juga terdapat pada pemasangan penahan choke dan sekrup tanpa beban. Penahan ini dipasang hanya menggunakan lem. Hasil pemasangan ini sebetulnya tidak terlalu kuat mengingat resiko yang mungkin terjadi pada karburator seperti terjatuh tiba – tiba, tertekan, atau resiko lain sejenisnya. Namun, kekurangan – kekurangan tadi tidak mempengaruhi fungsi selongsong dan kinerjanya. Salah satu bagian karburator yang sangat penting ialah choke dan throttle. Choke dan throttle yang dibuat cukup baik dan tidak mengalami kendala secara fungsional. Choke dan throttle dapat dipasangkan pada karburator dan dapat berputar tanpa mengalami hambatan. Masalah pada choke throttle terutama terjadi pada material yang digunakan. Material yang digunakan pada batang choke dan throttle terbuat dari besi beton yang mudah berkarat. Padahal seperti yang diketahui bahwa biogas mengandung H2S yang bersifat sangat korosif. Seharusnya batang dibuat dari material yang tahan korosi seperti stainless steel. Namun besi beton digunakan dengan pertimbangan kemudahan dalam mencari bahan di pasaran. Bentuk piringan choke dan throttle yang dibuat pun kurang rapi. Hal ini terjadi karena sangat sulit untuk membentuk piringan yang berukuran kecil dengan peralatan yang tersedia. Setelah melalui pengujian fungsional ternyata throttle tidak berfungsi sesuai dengan yang diharapkan. Rpm maksimum diperoleh pada kondisi throttle setengah terbuka bukan saat terbuka penuh dan akan turun kembali apabila dibuka lebih jauh. Untuk mengatasi hal ini, sekrup pembatas throttle pada motor disetel hingga pada batas rpm maksimum yang bisa dicapai oleh karburator dan tidak bisa digerakkan lebih jauh lagi. Bagian yang berfungsi sebagai penghubung antara karburator dan motor ialah dudukan. Dudukan yang dibuat telah sepenuhnya sesuai dengan gambar kerja dan dibuat. Permasalahan yang terjadi terletak pada kekuatan bahan yang digunakan. Dudukan yang terbuat dari bahan aluminium dengan ketebalan 5 mm ini ternyata mengalami deformasi setelah beberapa kali dibongkar dan dipasang pada motor. Deformasi ini terjadi akibat dudukan tidak mampu menahan gaya yang terjadi dari baud pengencang. Untuk mengatasi hal ini, sebaiknya dudukan dibuat dari bahan yang lebih kuat atau aluminium yang lebih tebal.
B. ANALISIS KINERJA KARBURATOR BIOGAS
Analisis kinerja karburator biogas dilakukan dengan cara melihat daya dan torsi yang dihasilkan motor dengan menggunakan karburator biogas pada berbagai perlakuan. Perbedaan pada setiap perlakuan ialah jumlah lubang biogas yang terbuka di sekeliling leher venturi. Perbedaan jumlah lubang yang terbuka ini akan mengakibatkan perbedaan rasio luas penampang lubang udara dan luas penampang lubang biogas total. Diharapkan perbedaan ini akan menghasilkan rasio campuran udara dan biogas yang berbeda pula. Rekapitulasi hasil pengujian dengan berbagai variasi jumlah lubang dapat dilihat pada Tabel 8.
41
No
Tabel 8. Hasil pengujian karburator biogas Jumlah lubang Ulangan Torsi maks/rpm
1
1
4.307 Nm / 1521 rpm
0.979 kW / 3146 rpm
2
3.588 Nm / 1575 rpm
0.794 kW / 3266 rpm
3
3
3.584 Nm / 1663 rpm
0.919 kW / 3282 rpm
4
1
3.320 Nm / 3550 rpm
1.253 kW / 3550 rpm
2
3.631 Nm / 3664 rpm
1.415 kW / 3664 rpm
6
3
3.299 Nm / 3563 rpm
1.249 kW / 3563 rpm
7
1
2.344 Nm / 3205 rpm
0.802 kW / 3275 rpm
2
2.619 Nm / 2902 rpm
0.825 kW / 2998 rpm
9
3
2.581 Nm / 3224 rpm
0.884 kW / 3224 rpm
10
1
2.127 Nm / 3115 rpm
0.705 kW / 3115 rpm
2
2.115 Nm / 2997 rpm
0.685 kW / 3084 rpm
3
2.128 Nm / 3132 rpm
0.701 kW / 3132 rpm
2
2
5
4
8
6
11
8
12
Daya maks/rpm
0,4
1,8
0,35
1,6
0,3
1,4 1,2
0,25
1
0,2
0,8
0,15
0,6
0,1
0,05
0,4 Daya (kW)
0,2
Torsi (Nm)
0 1500
Torsi (Nm)
Daya (kW)
Pengujian pertama dilakukan dengan membiarkan semua lubang yang ada pada leher venturi terbuka dengan total ada 8 buah lubang. Di bawah ini ditampilkan kurva kinerja motor yang telah disederhanakan untuk memudahkan pembacaan. Kurva yang masih berisi data yang belum disederhanakan dapat dilihat pada Lampiran 5. Kurva daya dan torsi yang dihasilkan oleh karburator dengan 8 buah lubang dapat dilihat pada Gambar 17 sampai Gambar 19:
0 2000
2500
3000
3500
4000
Putaran motor (rpm)
Gambar 18. Grafik kinerja motor dengan karburator 8 lubang (ulangan 1)
42
0,8
2,50
0,7 2,00
0,5
1,50
0,4 1,00
0,3
Torsi (Nm)
Daya (kW)
0,6
0,2 0,1
Daya (kW) Torsi (Nm)
0 1500
0,50
0,00 2000
2500 3000 3500 Putaran motor (rpm)
4000
Gambar 19. Grafik kinerja motor dengan karburator 8 lubang (ulangan 2)
0,7
2,50
0,6
2,00
0,4
1,50
0,3
1,00
Torsi (Nm)
Daya (kW)
0,5
0,2 0,1
Daya (kW) Torsi (Nm)
0 1500
0,50 0,00
2000
2500 3000 3500 Putaran motor (rpm)
4000
Gambar 20. Grafik kinerja motor dengan karburator 8 lubang (ulangan 3)
Karburator dengan 8 buah lubang secara umum cukup sulit untuk dioperasikan. Kesulitan ini disebabkan karena rasio luas penampang antara lubang udara dan biogas terlalu kecil, hanya sebesar 1 : 1.39, padahal secara teoritis campuran yang ideal untuk pembakaran biogas adalah sebesar 1 : 5.7.
43
Hal ini akan menyebabkan campuran yang masuk ke dalam silinder terlalu kaya dan tidak bisa terbakar. Untuk mengatasi hal ini, dalam pengujian ada satu orang yang bertugas mengatur bukaan katup biogas hingga diperoleh bukaan yang tepat untuk menahan laju biogas sehingga campuran tidak terlalu kaya. Rasio yang terlalu jauh dari teori juga menyebabkan hasil pengujian kinerja karburator lubang 8 menunjukkan hasil yang paling buruk di antara semua perlakuan yang diuji. Torsi maksimum yang mampu dicapai hanya berada pada kisaran 2.1 Nm dan daya maksimum berada pada kisaran 0.7 kW. Pada grafik pun dapat dilihat bahwa torsi maksimum dan daya maksimum diperoleh pada putaran motor yang sama. Secara teoritis, daya maksimum dan torsi maksimum tidak akan diperoleh pada putaran motor yang sama. Hal ini terjadi karena saat pengujian motor dengan karburator lubang 8 sama sekali tidak bisa melakukan perlawanan terhadap beban yang diberikan oleh dinamometer sehingga sedikit saja katup beban diputar maka putaran motor langsung turun dengan drastis dan bahkan motor sampai mati.Penurunan ini terlihat jelas dari ketiga grafik di atas. Dapat dilihat bahwa baik garis torsi maupun daya berbentuk sangat curam segera setelah turun melewati daya dan torsi maksimumnya.Penurunan yang drastis ini menyebabkan pencatatan data menjadi kurang akurat dan akhirnya diperoleh daya dan torsi maksimum pada putaran motor yang sama. Bentuk kurva kinerja motor yang seperti ini tidak baik dan tidak layak untuk digunakan di lapangan. Meskipun motor dapat menyala dengan menggunakan bahan bakar biogas, namun motor tidak mampu menahan beban yang diaplikasikan sehingga akibatnya motor mati. Padahal di lapangan, aplikasi – aplikasi penggunaan motor berbahan bakar biogas akan menuntut ketangguhan motor yang baik, seperti dalam pompa air, alat pemarut kelapa, pembuat tepung, atau perontok padi yang bebannya akan sangat fluktuatif dan bervariasi. Pengujian berikutnya dilakukan dengan menutup 2 buah lubang biogas sehingga tersisa 6 buah lubang. Grafik kinerja motor bakar dengan karburator 6 lubang bisa dilihat pada Gambar 21 sampai Gambar 23. 0,9
2,50
0,8 2,00
0,7
1,50
0,5 0,4
1,00
Torsi (Nm)
Daya (kW)
0,6
0,3 0,2 0,1
0,50 Daya (kW) Torsi (Nm)
0 1500
0,00 2000
2500 3000 3500 Putaran motor (rpm)
4000
Gambar 21. Grafik kinerja motor dengan karburator 6 lubang (ulangan 1)
44
0,9
3,00
0,8 2,50 0,7 2,00
0,5 1,50 0,4 0,3
Torsi (Nm)
Daya (kW)
0,6
1,00
0,2 Daya (kW)
0,1
0,50
Torsi (Nm)
0
0,00
1500
2000
2500 3000 3500 Putaran motor (rpm)
4000
Gambar 22. Grafik kinerja motor dengan karburator 6 lubang (ulangan 2)
1
3,00
0,9 2,50
0,8
2,00
0,6 0,5
1,50
0,4 1,00
0,3 0,2 0,1
Daya (kW)
0,50
Torsi (Nm)
0
1500
Torsi (Nm)
Daya (kW)
0,7
0,00
2000
2500 3000 3500 Putaran motor (rpm)
4000
Gambar 23. Grafik kinerja motor dengan karburator 6 lubang (ulangan 3)
45
1,4
3,50
1,2
3,00
1
2,50
0,8
2,00
0,6
1,50
0,4
1,00
0,2
Daya (kW) Torsi (Nm)
0 2000
Torsi (Nm)
Daya (kW)
Secara umum karakteristik motor bakar dengan karburator 6 lubang tidak jauh berbeda dengan motor dengan karburator 8 lubang. Untuk menyalakan motor, diperlukan satu operator yang bertugas mengatur bukaan katup biogas sehingga diperoleh rasio campuran udara-biogas yang tepat. Walau demikian, kinerja yang ditunjukkan oleh motor dengan karburator 6 lubang lebih baik dibanding karburator 8 lubang. Torsi yang mampu dihasilkan berada pada kisaran 2.5 Nm dan daya yang dihasilkan ada pada kisaran 0.8 kW. Hal ini diakibatkan karena rasio luas penampang lubang udara dan biogas lebih mendekati teori dibanding pada karburator 8 lubang. Saat pembebanan dilakukan, motor lebih mampu menahan beban yang diberikan, hal ini terlihat dari bentuk ketiga grafik di atas. Pada ketiga grafik tersebut kurva torsi dan daya memiliki kemiringan yang lebih landai ketika rpm telah turun melewati daya dan torsi maksimumnya. Ini berarti bahwa penurunan torsi dan daya tidak terlalu drastis seperti yang terjadi pada motor dengan karburator lubang 8. Data yang dihasilkan oleh motor dengan karburator 6 lubang ini juga lebih baik. Dapat dilihat bahwa dari 3 ulangan yang dilakukan, hanya satu ulangan yang menghasilkan daya dan torsi maksimum pada putaran motor yang sama. Dua ulangan lainnya menunjukkan bahwa daya dan torsi maksimum dihasilkan pada putaran motor yang berbeda. Walau hasil yang dicatat lebih baik dibanding karburator lubang 8, namun karburator lubang 6 ternyata masih tidak layak untuk diaplikasikan di lapangan. Pengujian berikutnya ialah dengan menyisakan 4 buah lubang terbuka pada karburator dan 4 lainnya ditutup. Kurva kinerja yang dihasilkan oleh motor dengan karburator 4 lubang ditunjukkan pada Gambar 24 sampai Gambar 26.
0,50 0,00
2500 3000 3500 Putaran motor (rpm)
4000
Gambar 24. Grafik kinerja motor dengan karburator 4 lubang (ulangan 1)
46
4,00
1,4
3,50
1,2
3,00
1
2,50
0,8
2,00
0,6
1,50
0,4
1,00 Daya (kW)
0,2
Torsi (Nm)
Daya (kW)
1,6
0,50
Torsi (Nm)
0
0,00
2000
2500 3000 3500 Putaran motor (rpm)
4000
1,4
3,50
1,2
3,00
1
2,50
0,8
2,00
0,6
1,50
0,4
1,00
0,2
Daya (kW) Torsi (Nm)
0 2000
Torsi (Nm)
Daya (kW)
Gambar 25. Grafik kinerja motor dengan karburator 4 lubang (ulangan 2)
0,50
0,00 2500 3000 3500 Putaran motor (rpm)
4000
Gambar 26. Grafik kinerja motor dengan karburator 4 lubang (ulangan 3)
47
0,9
4,50
0,8
4,00
0,7
3,50
0,6
3,00
0,5
2,50
0,4
2,00
0,3
Torsi (Nm)
Daya (kW)
Pada pengujian karburator dengan 4 lubang didapatkan daya yang paling besar diantara semua perlakuan yang diuji. Pada pengujian ini didapatkan daya maksimum mencapai 1.415 kW pada 3664 rpm dan torsi maksimum sebesar 3.631 Nm pada 3664 rpm. Karburator lubang 4 memiliki rasio luas penampang 1 : 2.778, lebih mendekati teori dibanding dua pengujian sebelumnya. Meskipun belum sesuai dengan teori, namun kinerja motor dengan karburator 4 lubang lebih baik dibanding dua perlakuan sebelumnya. Dapat dilihat pada 3 grafik di atas bahwa kurva torsi dan daya sangat landai pada putaran motor 2500 rpm hingga 2000 rpm. Artinya pada putaran ini motor lebih mampu menjaga torsi dan daya yang dihasilkan pada putaran motor rendah. Dalam pengujian pun motor dengan karburator 4 lubang lebih mudah dinyalakan dibanding karburator lubang 8 dan 6. Ketika beban diberikan oleh dinamometer, motor mampu terus menyala hingga putaran sekitar 2000 rpm dan tidak langsung mati seperti yang terjadi pada dua perlakuan sebelumnya. Perlakuan terakhir yang diberikan ialah dengan membuka 2 lubang pada biogas dan menutup 6 lubang lainnya. Rasio luas penampang pada perlakuan merupakan yang paling mendekati rasio teoritis, yaitu sebesar 1 : 5.56. Sedangkan secara teoritis rasio yang dibutuhkan ialah sebesar 1 : 5.7. Kurva kinerja karburator dengan dua lubang ditunjukkan pada Gambar 27 sampai Gambar 29.
1,50 Daya (kW)
0,2
1,00 Torsi (Nm)
0,1
0,50
0
0,00
1300
1800
2300
2800
3300
3800
Putaran motor (rpm)
Gambar 27. Grafik kinerja motor dengan karburator 2 lubang (ulangan 1)
48
0,7
4,00
0,6
3,50
Daya (kW)
2,50 0,4 2,00 0,3
Torsi (Nm)
3,00
0,5
1,50 0,2 0,1
1,00 Daya (kW) Torsi (Nm)
0 1300
0,50 0,00
1800
2300 2800 3300 Putaran motor (rpm)
3800
Gambar 28. Grafik kinerja motor dengan karburator 2 lubang (ulangan 2)
0,7
4,00
0,6
3,50
Daya (kW)
2,50 0,4 2,00 0,3
Torsi (Nm)
3,00
0,5
1,50 0,2 0,1
1,00 Daya (kW) Torsi (Nm)
0 1300
0,50
0,00 1800
2300 2800 3300 Putaran motor (rpm)
3800
Gambar 29. Grafik kinerja motor dengan karburator 2 lubang (ulangan 3)
49
Pada pengujian karburator dengan dua lubang, didapatkan daya maksimum mencapai 0.979 hp pada 3146 rpm dan torsi maksimum mencapai 4.307 Nm pada 1521 rpm. Karburator dengan dua lubang ini dirasakan oleh operator penguji sebagai karburator yang paling mudah untuk dinyalakan. Pengaturan katup tidak sesulit pada karburator lubang 8, 6, ataupun 4. Operator cukup membuka katup dan motor dapat dinyalakan. Operator hanya perlu melakukan sedikit koreksi pada bukaan katup hingga didapatkan putaran motor yang diinginkan. Saat diuji menggunakan dinamometer, karburator dengan 2 lubang mampu melawan beban yang diberikan dinamometer dengan menambah torsinya. Hal ini sangat terlihat dari ketiga grafik di atas. Pada grafik di atas terlihat bahwa torsi semakin tinggi pada putaran rendah, sementara daya mencapai puncaknya pada kisaran 2000 hingga 3000 rpm. Bentuk grafik ini merupakan yang paling mendekati grafik kinerja motor yang ideal. Ketika diuji, karburator dua lubang mampu menahan beban dari dinamometer hingga pada putaran di bawah 1000 rpm tanpa mati. Berbeda dengan pengujian karburator 8 dan 6 lubang, motor sangat mudah sekali mati apabila rpm turun. Ini membuktikan bahwa karburator dengan dua lubang mampu menyuplai campuran udara dan biogas pada rasio yang cukup konstan pada semua kisaran rpm. Sedangkan pada pengujian – pengujian lainnya, ada kemungkinan bahwa rasio campuran berubah drastis seiring berubahnya rpm akibat rasio luas penampang yang tidak sesuai. Rasio campuran yang berubah inilah yang menyebabkan motor tidak mampu menahan beban akibat suplai campuran yang tidak sesuai untuk terjadinya pembakaran yang baik. Hal yang menarik dari pengujian – pengujian di atas ialah bahwa walaupun kinerja motor secara keseluruhan yang paling baik diperoleh pada karburator dengan 2 lubang, namun daya maksimum yang dicapai justru diperoleh dari karburator dengan 4 lubang. Menurut Ganesan (2007), Campuran yang menghasilkan daya maksimum akan jauh lebih kaya dibandingkan dengan campuran stoikiometrik, sedangkan campuran yang paling ekonomis akan sedikit lebih miskin dibanding campuran stoikiometrik. Hal inilah yang menyebabkan daya maksimum diperoleh pada karburator 4 lubang, bukan pada dua lubang. Dari semua pengujian di atas dapat dilihat bahwa dari tiap perlakuan yang diuji dihasilkan karakteristik kinerja motor yang berbeda-beda pula. Secara teoritis, kinerja motor paling baik akan dihasilkan oleh motor dengan karburator 2 lubang. Setelah dilakukan pengujian, hal ini bisa dibuktikan dengan membandingkan grafik kinerja dan karakteristik kinerja motor saat pengujian. Kinerja motor yang dipasang karburator dengan 6 dan 8 lubang sangat tidak stabil dan tidak layak untuk digunakan di lapangan. Motor sulit untuk dinyalakan dan daya serta torsi yang dihasilkan sangat rendah jika mengacu pada spesifikasi motor yang digunakan. Pada motor dengan karburator 4 lubang dihasilkan nilai torsi dan kurva yang lebih baik dibanding dua pengujian sebelumnya. Pada keburator lubang 4 ini juga dihasilkan daya maksimum dari 4 pengujian yang dilakukan. Namun, distribusi torsi dan daya pada berbagai putaran motor kurang baik. Daya dan torsi maksimum diperoleh pada kisaran 3500 rpm sedangkan pada rpm di bawah itu daya dan torsi langsung turun secara drastis. Hal ini kurang sesuai apabila motor akan digunakan di lapangan, mengingat pada pekerjaan – pekerjaan tertentu rpm motor yang dibutuhkan terkadang rendah. Pada pengujian motor dengan karburator 2 lubang dihasilkan kinerja motor yang paling memuaskan di antara pengujian – pengujian lainnya. Motor dengan karburator 2 lubang mudah dinyalakan, stabil, dan menghasilkan kurva kinerja yang baik. Dari hasil di atas dapat disimpulkan bahwa karburator dengan 2 lubang memberikan hasil yang paling baik dan paling layak untuk diaplikasikan di lapangan sebagai salah satu langkah untuk memanfaat energi terbarukan yang ada di sekitar kita. Karakteristik biogas yang digunakan pada pengujian sangat mempengaruhi karakteristik kinerja motor. Sumber material, kadar air, suhu reaksi, sangat mempengaruhi kualitas biogas yang dihasilkan.
50
Setelah melalui percobaan berkali – kali, diketahui bahwa biogas dengan sumber kotoran manusia tidak sebaik biogas dengan sumber kotoran ternak. Untuk menjaga validitas data, maka semua pengujian dilakukan dengan menggunakan biogas dari sumber yang sama, yaitu sapi dan didapat dari digester yang sama. Dengan demikian diharapkan variasi kualitas biogas dapat dipersempit dan data kinerja yang dihasilkan lebih valid. Selain pada kualitas biogas, kondisi mesin pun harus sama pada setiap pengujian. Untuk itu, setiap sebelum pengujian dilakukan pengecekan pada motor bensin, termasuk pengecekan busi, setelan katup, memeriksa baud – baud pengencang, dan pengecekan kondisi pelumas di dalam karter. Walaupun motor yang digunakan telah memiliki spesifikasi, termasuk daya dan torsi yang mampu dihasilkan, namun motor bensin tetap diuji ulang untuk memastikan kinerjanya pada kondisi saat pengujian ini berlangsung. Pengujian dilakukan dengan menggunakan semua komponen standar dari motor dan semua komponen disetel dengan setelan standar. Hasil pengujian kinerja motor menggunakan bahan bakar bensin dan semua komponen standar diperlihatkan pada Gambar 30 sampai Gambar 32. 2,5
7,00 6,00
2
1,5
4,00 3,00
1
0,5
2,00
Daya (kW) Torsi (Nm)
1,00
0 1400
Torsi (Nm)
Daya (kW)
5,00
0,00 1900
2400
2900
3400
3900
4400
Putaran motor (rpm)
Gambar 30. Grafik kinerja motor dengan bahan bakar bensin (ulangan 1)
51
2
7
1,8
6
1,6
Daya (kW)
1,2
4
1 3
0,8 0,6
2
0,4
Daya (kW)
0,2
Torsi (Nm)
1
0 1500
Torsi (Nm)
5
1,4
0 2000
2500
3000
3500
4000
4500
Putaran motor (rpm)
Gambar 31. Grafik kinerja motor dengan bahan bakar bensin (ulangan 2)
1,8
7,00
1,6
6,00
1,4
Daya (kW)
1
4,00
0,8
3,00
0,6 0,4
2,00
Daya (kW) Torsi (Nm)
1,00
0,2 0 1400
Torsi (Nm)
5,00
1,2
0,00 1900
2400
2900
3400
3900
4400
Putaran motor (rpm)
Gambar 32. Grafik kinerja motor dengan bahan bakar bensin (ulangan 3)
52
Dari ketiga grafik di atas dapat dilihat bahwa kinerja motor masih cukup baik. Hal ini diperlihatkan dengan bentuk kurva torsi dan daya yang masih cukup baik. Walaupun demikian, kondisi motor sudah tidak 100% sesuai dengan kondisi yang diiklankan oleh produsen. Pada kondisi baru, motor ini seharusnya mampu menghasilkan daya hingga 3.5 hp atau setara 2.61 kW. Namun pada pengujian ini didapatkan daya maksimum yang dicapai rata-rata hanya sebesar 1.86 kW dan torsi sebesar 6.21 Nm. Apabila dibandingkan dengan kinerja motor ketika dijalankan dengan bahan bakar biogas, terjadi penurunan yang cukup drastis. Penurunan kinerja ini dapat dilihat pada Tabel 9.
Tabel 9. Penurunan daya pada motor dibandingkan dengan bahan bakar bensin Kinerja yang dicapai Penurunan yang terjadi Jumlah No. lubang Daya (kW) Torsi (Nm) Daya Torsi 1 8 0.70 2.12 62.4 % 65.8 % 2 6 0.83 2.51 55.2 % 59.6 % 3 4 1.30 3.42 30 % 45 % 4 2 0.89 3.83 52 % 38.3 %
Selama pengujian berlangsung kondisi mesin harus terus diperhatikan. Hal ini disebabkan karena motor bensin yang digunakan ialah motor yang berumur cukup tua. Beberapa bagian motor sudah tidak sebaik kondisi ketika masih baru, misalnya beberapa baud pengencang sudah tidak bisa dikencangkan lagi. Hal ini menyebabkan beberapa bagian motor seperti pelindung kipas pendingin mengalami getaran yang cukup besar terutama ketika motor beroperasi pada putaran tinggi. Selama beroperasi dengan menggunakan bahan bakar biogas, motor bensin menghasilkan panas yang lebih besar dibanding ketika beroperasi menggunakan bahan bakar bensin. Pada beberapa kasus yang terjadi selama masa percobaan, panas yang terjadi bisa sampai membuat muffler motor membara akibat suhu exhaust gas yang terlalu tinggi. Hal ini sangat tidak baik bagi kinerja motor, karena menunjukkan bahwa efisiensi panas motor menjadi rendah. Selain itu, suhu yang terlalu tinggi akan membuat komponen-komponen motor memuai. Hal ini berbahaya apabila terjadi pada komponen yang bergerak atau bergesekan seperti piston, silinder, connecting rod, dan yang lainnya. Untuk mengatasi panas yang berlebih, dilakukan penyetelan ulang bukaan katup intake dan exhaust. Dengan penyetelan ulang ini suhu gas buang motor menjadi lebih rendah. Walaupun demikian, suhu ini masih berada di atas suhu normal apabila dioperasikan menggunakan bensin. Suhu yang tinggi ini menyebabkan gasket pada cylinder head menjadi cepat hangus terbakar dan daya tahan minyak pelumas menjadi lebih rendah. Oleh karena itu selama pengujian gasket secara teratur diperiksa dan diganti, begitu juga dengan minyak pelumas.
53
C. HASIL SIMULASI ALIRAN MENGGUNAKAN COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS (CFD)
Simulasi CFD dilakukan dengan tujuan untuk memprediksi pola aliran dan campuran di dalam venturi ketika karburator beroperasi. Simulasi hanya dilakukan pada variasi lubang yang menghasilkan kinerja paling baik, yaitu karburator dengan dua buah lubang. Beberapa parameter dapat diamati pada simulasi ini, diantaranya ialah fraksi campuran, kecepatan aliran, dan tekanan. Fraksi campuran hasil simulasi dapat dilihat pada Gambar 33.
Gambar 33. Fraksi campuran udara dan biogas hasil simulasi CFD
Pada Gambar 33 dapat dilihat bahwa biogas mampu menyebar dengan cukup merata ke seluruh bagian bagian saluran. Campuran yang merata atau homogen sangat penting dalam pembakaran. Campuran yang homogen dapat diartikan pula bahwa luas permukaan kontak antara molekul metana dan molekul oksigen besar. Hal ini berarti bahwa pembakaran akan semakin efisien dan semakin sedikit molekul metana yang tidak terbakar karena kurangnya molekul oksigen di sekitar molekul tersebut. Pada potongan A-A’ dapat dilihat bahwa biogas masih terkonsentrasi pada dinding atas dan bawah venturi sebagai akibat dari posisi port biogas yang berada di atas dan di bawah. Pada potongan B-B’ terlihat bahwa biogas mulai menyebar dan bercampur dengan udara. Pada potongan C-C’ biogas dari port atas maupun port bawah telah bersatu di bagian tengah dan menjadi lebih homogen. Secara teoritis, campuran udara - bahan bakar yang tepat secara stoikiometrik untuk biogas dengan kadar metana 60% ialah sebesar 1:5.74 atau sebesar 17.4%. Dari hasil simulasi didapatkan
54
bahwa campuran yang dihasilkan berada pada kisaran 10 hingga 20 persen. Hal ini menunjukkan bahwa karburator mampu mensuplai campuran pada rasio campuran yang cukup baik. Hal ini sangat penting dalam proses pembakaran di dalam silinder. Rasio yang terlalu kaya akan menyebabkan banyak molekul metana yang tidak terbakar sehingga pembakaran menjadi tidak efisien. Begitu sebaliknya apabila campuran terlalu miskin, akan ada banyak molekul oksigen yang tidak membakar apapun di dalam silinder. Selain itu, karena suplai energi yang masuk ke dalam silinder lebih rendah maka daya motor yang dihasilkan pun akan lebih rendah. Sementara itu pola kecepatan aliran dapat dilihat pada Gambar 34.
Gambar 34. Kontur besaran kecepatan (A) dan kontur vektor kecepatan (B) dalam satuan m/s
Karakteristik aliran yang didapat dari hasil simulasi cukup baik. Biogas mampu mengalir terhisap ke dalam venturi pada kecepatan sekitar 30 m/s dan langsung ikut terbawa dalam aliran udara yang berkecepatan sekitar 45 m/s pada leher venturi. Pada gambar kontur besaran kecepatan dapat dilihat bahwa aliran pada corong atau cone venturi cenderung terkonsentrasi di tengah dan pada bagian dinding aliran berjalan lambat. Apabila dibandingkan dengan vektor kecepatan pada gambar B dapat disimpulkan bahwa terjadi turbulensi pada bagian ini, sehingga campuran hanya berputar-putar dan tidak langsung mengalir menuju intake manifold. Hal ini kemungkinan besar disebabkan oleh sudut corong venturi yang terlalu besar, sehingga aliran cenderung turbulen pada bagian tersebut. Cara untuk mengatasi hal ini ialah dengan mengurangi sudut corong venturi, namun pada praktiknya hal ini sulit dilakukan karena mengurangi sudut corong berarti pula menambah panjang venturi, padahal ruang yang tersedia untuk venturi dan katup throttle sangatlah terbatas.
55
VI.
SIMPULAN DAN SARAN
A. SIMPULAN 1. 2. 3. 4. 5.
6.
Perancangan telah dilakukan dan direalisasikan dalam bentuk sebuah prototipe karburator biogas. Karburator biogas yang telah dirancang memiliki bagian – bagian utama seperti venturi, selongsong venturi, katup choke, katup throttle, serta dudukan. Motor bensin mampu menyala dengan bahan bakar biogas dan karburator hasil rancangan. Secara stoikiometrik, rasio campuran biogas dan udara yang tepat untuk pembakaran ialah sebesar 1 : 5.7 Hasil pengujian menunjukkan karburator 2 lubang dengan rasio luas penampang 1 : 5.56 menghasilkan kinerja yang paling baik, dengan daya maks sebesar 0.979 kW pada 3146 rpm dan torsi maksimum sebesar 4.307 Nm pada 1521 rpm. Setelah dibandingkan dengan kinerja motor berbahan bakar bensin, diketahui terjadi penurunan kinerja sebesar 52% untuk daya dan 38.3% untuk torsi pada karburator 2 lubang.
B. SARAN
1. 2. 3. 4.
Perlu analisis lebih lanjut mengenai bentuk katup throttle yang baik, sehingga throttle benar– benar maskimum saat katup dibuka total. Dudukan perlu dibuat dari material yang lebih kuat untuk mencegah deformasi akibat gaya yang terjadi. Batang choke dan throttle perlu dibuat dari material yang lebih tahan karat untuk mencegah korosi. Perlu dilakukan uji emisi gas buang dan pengukuran konsumsi bahan bakar agar dapat diketahui efisiensi termal motor dan melengkapi data yang ada.
56
UCAPAN TERIMA KASIH Skripsi berjudul “Rancang Bangun Karburator Biogas untuk Motor Bensin” ini dapat tersusun berkat kerjasama antara Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor dan PT. SWEN Inovasi Transfer, Bogor, Jawa Barat. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih kepada kedua belah pihak yang telah mewujudkan kerjasama ini. Secara khusus penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada PT. SWEN Inovasi Transfer atas semua dukungan, masukan, saran, dan fasilitas yang diberikan selama proses penyusunan berlangsung sehingga skripsi ini dapat tersusun sesuai harapan. Penulis berharap semoga kerjasama seperti ini dapat terus ditingkatkan pada masa-masa yang akan datang sehingga terjalin hubungan yang erat antara institusi akademik dan pihak industri.
57
DAFTAR PUSTAKA [Anonim]. 2013. Air Absolute Kinematic Viscosity Table. http://www.engineeringtoolbox.com/airabsolute-kinematic-viscosity-d_601.html [19 Januari 2013] [Anonim]. 1986. Owner’s Manual, Honda GX110 – GX140. Tokyo: Honda Motor Co, Ltd. [Anonim]. 2007. Simrit’s O-ring Size Guide. Publication No. 2701. Plymouth: FreudenBerg and NOK Group. [Anonim]. 2012. Surface Roughness Table. http://www.engineershandbook.com/Tables/ surfaceroughness.htm.[17 Januari 2013] Ganesan V. 2008. Internal Combustion Engine. Second Edition. New Delhi: Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited. Fatiha P.A. 2009. Evaluasi Kinerja Daya Poros Motor Diesel Berbahan Bakar Minyak Kelapa Menggunakan Water Brake Dynamometer yang sudah Dimodifikasi[skripsi]. Bogor: Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Harikishan S. 2008. Biogas Processing and Utilization as an Energy Source. In: Khanal, Samir Khumal(ed). Anaerobic for Bioenergy Production. Iowa: Wiley-Blackwell, 267-291. Herringshaw B. 2009. A Study of Biogas Utilization Efficiency Highliting Internal Combustion Electrical Generator Units [undergraduate honors thesis]. Ohio: College of Food, Agricultural, and Biological Engineering, The Ohio State University. Keating, Eugene L. 1993. Applied Combustion. 270 Madison Avenue, New York: Marcell Dekker, Inc. Kossmann W. et al.Biogas Digest: volume 1, biogas basics. Germany: Information and Advisory Service on Appropriate Technology (ISAT) Mitran T, Pater S, Fantana N, Ardelean F. 2008. Mathematical Model To Calculate Fresh Charge Flow Through The Orifice Controlled By The Intake Valve. Fascicle of Management and Technological Engineering, Volume VII (XII). Oradea University. Mitzlaff K. 1988. Engines for Biogas. Eschborn: German Appropriate Technology Exchange, - GATE In: Deutsche Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit (GTZ) GmbH Nijaguna B.T. 2002. Biogas Technology. Ansari Road, Daryaganji, New Delhi: New Age International (p) Limited, Publishers.
58
Pramuhadi G, Desrial, Hermawan W, Sembiring EN. 2010. Buku Pedoman dan Lembar Kerja Praktikum Motor dan Tenaga Pertanian. Bogor: Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Insititut Pertanian Bogor. Setiawan. 2005. Rancang Bangun dan Uji Kinerja Knalpot Rendah Bising pada Gergaji Rantai Stihll Tipe 070 [skripsi]. Bogor: Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Siripornakarachai S, Sucharitakul T. Modification and tuning of diesel bus engine for biogas electricity production [paper]. Chiang Mai: Faculty of Engineering, Chiang Mai University. Sutarno, Firdaus F. 2007. Analisis Prestasi Produksi Biogas (CH4) dari Polyethilene Biodigester Berbahan Baku Limbah Ternak Sapi. LOGIKA Vol 4, No 1:31-37 Wahyuni S. 2011. Menghasilkan Biogas dari Aneka Limbah. Jakarta: Agromedia Pustaka.
59
LAMPIRAN
LAMPIRAN 1. PERHITUNGAN RASIO BIOGAS – UDARA Reaksi pembakaran yang terjadi: 𝐶𝐻4 + 2𝑂2 → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2 𝑂 Dari reaksi tersebut diketahui bahwa perbandingan biogas dan oksigen ialah sebesar 1 : 2. Dengan asumsi kadar metana dalam biogas sebesar 60%, maka jumlah biogas yang dibutuhkan ialah: 1 𝑏𝑎𝑔𝑖𝑎𝑛 = 1.67 𝑏𝑎𝑔𝑖𝑎𝑛 𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠 60% 𝑘𝑎𝑑𝑎𝑟 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑎 Dengan asumsi kadar oksigen dalam udara sebesar 20.9%, maka jumlah udara yang dibutuhkan ialah: 2 𝑏𝑎𝑔𝑖𝑎𝑛 = 9.57 𝑏𝑎𝑔𝑖𝑎𝑛 𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 20.9% 𝑘𝑎𝑑𝑎𝑟 𝑜𝑘𝑠𝑖𝑔𝑒𝑛 Dengan demikian, maka perbandingan biogas dan udara ialah sebesar 1.67 : 9.57, atau dapat disederhanakan: 1.67 9.57 ∶ = 1 ∶ 5.74 1.67 1.67
60
LAMPIRAN 2. ANALISIS TEKNIK A. Perhitungan Diameter Venturi
1. Perhitungan laju intake volumetrik untuk motor Honda GX110 dengan kapasitas silinder 107 cc dan putaran motor maksimum pada 4000 rpm:
𝑉𝑖 =
𝐷 × 𝑁𝑚𝑎𝑥 2000 × 60
0.107 𝑙𝑖𝑡𝑒𝑟 × 4000 𝑟𝑝𝑚 2000 × 60 𝑉𝑖 = 3.567 × 10−3 𝑚3 /𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘
𝑉𝑖 =
2. Rancangan awal leher venturi dibuat sesuai ukuran venturi asli, yaitu sebesar 10 mm. Namun menurut Mitzlaff (1988), kecepatan aliran udara pada leher venturi tidak boleh melebihi 150 m/s pada putaran motor maksimum. Maka:
𝑣=
𝑣=
𝑉𝑖 𝐴𝑣 𝑉𝑖 𝜋 𝑑2 4
𝑣=
3.567 × 10−3 𝑚3 /𝑠 𝜋×0.012 4
3.567 × 10−3 𝑚3 /𝑠 𝑣= 7.854 × 10−5 𝑚2 𝑣 = 45.2 𝑚 𝑠 < 150 m/s, maka masih bisa digunakan
61
B. Perhitungan Jumlah dan Ukuran Lubang Port Biogas Secara stoikiometrik, diketahui bahwa rasio campuran yang tepat untuk pembakaran biogas ialah 1 : 5.74. Untuk membuktikan hal ini maka karburator harus memiliki kisaran rasio udara – bahan bakar yang cukup luas. Hal ini dicapai dengan mengatur jumlah dan luas penampang lubang biogas pada leher venturi. Luas penampang leher venturi:
𝐴𝑣 = =
𝜋 × 𝑑2 4 𝜋×10 2 4
= 78.54 𝑚𝑚2 Agar kisaran rasio yang didapat cukup luas, maka diharapkan rasio karburator berkisar antara 1: 1.4 (sangat kaya) dan 1:11 (sangat miskin). Luas penampang lubang biogas pada rasio 1:1.4 𝐴𝐵 = 𝐴𝑉 × 𝑟𝑎𝑠𝑖𝑜 𝑐𝑎𝑚𝑝𝑢𝑟𝑎𝑛 1
= 78.54 × 1.4 = 56.1 𝑚𝑚2
Luas penampang lubang biogas pada rasio 1:11 (termiskin): 𝐴𝐵 = 𝐴𝑉 × 𝑟𝑎𝑠𝑖𝑜 𝑐𝑎𝑚𝑝𝑢𝑟𝑎𝑛 1
= 78.54 × 11 = 7.14 𝑚𝑚2 Karena jumlah lubang karburator dirancang banyak (multi-port), maka diasumsikan rasio termiskin dicapai saat hanya ada satu lubang terbuka. Dengan demikian diameter lubang port biogas dapat dihitung sebagai berikut: 𝐷= =
4×𝐴 𝜋 4×7.14 𝜋
= 3.01 𝑚𝑚 ≈ 3 𝑚𝑚
62
Sebaliknya, rasio campuran paling kaya dapat diasumsikan terjadi saat semua lubang biogas terbuka. Oleh karena itu, maka jumlah port biogas dapat dihitung sebagai berikut: 𝐴𝐵 𝑡𝑒𝑟𝑘𝑎𝑦𝑎
𝐽𝑢𝑚𝑙𝑎 𝑝𝑜𝑟𝑡 𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠 = 𝐴
𝐵 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑘𝑖𝑛 56.1
= 7.14
= 7.85 𝑏𝑢𝑎 ≈ 8 𝑏𝑢𝑎
63
LAMPIRAN 3. ANALISIS KARBURATOR BIOGAS
BIAYA
A. Biaya pembelian bahan: 1. Batang aluminium diameter 1.5” x 6 cm 2. Pipa kuningan diameter 1,5” x 5 cm 3. O ring Seal nomor 025 x 2 buah 4. Strip aluminium tebal 5 mm x 12 cm 5. Niple kuningan ukuran 1,25” 6. Besi diameter 5 mm x 10 cm 7. Pelat aluminium tebal 1 mm 8. Akrilik tebal 5 mm 9. Mur dan baud M3 x 2 buah Total C. Ongkos produksi 1. Ongkos produksi Total D. TOTAL BIAYA PEMBUATAN
PEMBUATAN
: Rp. 16.000,: Rp. 15.000,: Rp. 5.000,: Rp. 22.000,: Rp. 10.000,: Rp. 1.000,: Rp. 5.000,: Rp. 4.000,: Rp. 2.000,-
SATU
UNIT
+
: Rp. 80.000,-
: Rp. 40.000,: Rp. 40.000,: Biaya bahan + Biaya Produksi : Rp. 80.000 + Rp. 40.000 : Rp.120.000,-
64
LAMPIRAN 4. PERHITUNGAN TEKANAN PADA INTAKE MANIFOLD Diketahui: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Tekanan atmosfer (𝑃0 ) Laju aliran (W) Diameter intake manifold (D) Panjang intake manifold (l) Kekasaran rata-rata dinding manifold (𝛿) Nilai koefisien head loss akibat belokan (𝜉) Viskositas kinematik udara pada 25 C (𝑣)
= 101325 Pa (tekanan atmosfer) = 20 m/s pada intake manifold = 15 mm = 100 mm = 1.6 × 10−6 m = 1.2 (untuk belokan 90 derajat) = 15.4 × 10−6 𝑚2 /𝑠
Pertama, bilangan Reynold harus dihitung terlebih dahulu 𝑅𝑒 = =
𝑊.𝐷 𝑣 20.15×10 −3 15.4×10 −6
= 19548 Selanjutnya koefisien head loss linear dapat dihitung menggunakan persamaan Moody untuk bilangan 4.103 < 𝑅𝑒 < 107 : 𝜆 = 0.0055. 1 + 20000. 𝜀 + 𝛿
= 0.0055. 1 + 20000. 𝐷 +
10 6
1 3
𝑅𝑒 10 6
1 3
𝑅𝑒
1.6×10 −6
10 6
= 0.0055. 1 + 20000. 15×10 −3 + 19548
1 3
= 0.0055. 1 + 20000.1.06 × 10−4 + 51.15 = 0.0055. 1 + 53.27 = 0.021
1 3
1 3
Dengan demikian kita bisa menghitung head loss linear (akibat friksi) menggunakan persamaan Darcy: =𝜆.
𝑙 𝐷
.
𝑊2 2𝑔 0.1
20 2
= 0.021 . 15×10 −3 . 2×9.81 = 0.021 × 6.67 × 20.39 = 2.85 𝑚 Sedangkan head loss akibat belokan dapat dihitung menggunakan persamaan Weisenbach. Diasumsikan terjadi belokan sebesar 90 derajat pada intake manifold. 𝑠 = 𝜉.
𝑊2 2𝑔
= 1.2.
20 2 2×9.81
= 1.2 × 20.39 = 24.468 𝑚
65
Dengan demikian maka kehilangan tekanan pada manifold adalah: Δ𝑃 = 𝛾 × 𝑑 = 𝛾 × (𝑙 + 𝑠 ) = 1.2 × 9.81 × (2.85 + 24.468) = 11.77 × 27.318 = 321.58 𝑃𝑎 Sehingga tekanan di intake manifold ialah: 𝑃𝑖𝑛𝑡𝑎𝑘𝑒 = 𝑃0 − Δ𝑃 = 101325 − 321.58 = 101003 𝑃𝑎
66
LAMPIRAN 5. DATA HASIL PEREKAMAN PADA KOMPUTER Karburator 8 lubang: 1
2,5
0,9 0,8
2
0,6
1,5
0,5 0,4
1
Torsi (Nm)
Daya (hp)
0,7
0,3 0,2
0,5 Hp (Hp)
0,1
Torsi (Nm)
0
0
1500
2500
3500
Putaran motor (rpm) ] 1
2,5
0,9 0,8
2
0,6
1,5
0,5 0,4
1
Torsi (Nm)
Daya (hp)
0,7
0,3 0,2 0,1
0,5
Hp (Hp)
Torsi (Nm)
0 1500
0 2500
3500
Putaran motor (rpm)
67
1
2,5
0,9 0,8
2
0,6
1,5
0,5 0,4
1
Torsi (Nm)
Daya (hp)
0,7
0,3 0,2 0,1
0,5
Hp (Hp) Torsi (Nm)
0 1500
0 2500
3500
Putaran motor (rpm) Karburator 6 lubang: 1,2
2,5
1
2
1,5 0,6 1
Torsi (Nm)
Daya (hp)
0,8
0,4 0,2
0,5
Hp (Hp)
Torsi (Nm) 0
1500
0
2500
3500
Putaran motor (rpm)
68
1,2
3 2,5
0,8
2
0,6
1,5
0,4
1
Torsi (Nm)
Daya (hp)
1
Hp (Hp) 0,2
0,5
Torsi (Nm)
0
0
1500
2500
3500
Putaran motor (rpm)
1,4
3
1,2
2,5 2
0,8 1,5 0,6 1
0,4 Hp (Hp) 0,2
0,5
Torsi (Nm)
0 1500
Torsi (Nm)
Daya (hp)
1
0 2500
3500
4500
Putaran motor (rpm)
69
Karburator 4 Lubang: 1,8
3,5
1,6
3
1,4
Daya (hp)
2
1 0,8
1,5
0,6
Torsi (Nm)
2,5
1,2
1
0,4 Hp (Hp)
0,2
0,5
Torsi (Nm)
0
0
2000
2500
3000
3500
4000
Putaran motor (rpm)
2
4
1,8
3,5
1,6
Daya (hp)
2,5
1,2 1
2
0,8
1,5
0,6
1
0,4 0,2 0 2000
Torsi (Nm)
3
1,4
Hp (Hp)
0,5
Torsi (Nm) 2500
3000
0 3500
4000
Putaran motor (rpm)
70
1,8
3,5
1,6
3
1,4
Daya (hp)
2
1 0,8
1,5
0,6
Torsi (Nm)
2,5
1,2
1
0,4 Hp (Hp) 0,2
0,5
Torsi (Nm)
0 2000
0 2500
3000
3500
4000
Putaran motor (rpm)
Karburator 2 Lubang: 1,4
5 4,5
1,2
4 3,5 3
0,8
2,5 0,6
2 1,5
0,4 0,2
Hp (Hp)
1
Torsi (Nm)
0,5
0 1400
Torsi (Nm)
Daya (hp)
1
0 2400
3400
4400
Putaran motor (rpm)
71
1,2
4 3,5
1
Daya (hp)
0,8
2,5
0,6
2 1,5
0,4
1
Hp (Hp) 0,2
Torsi (Nm)
3
Torsi (Nm)
0,5
0
0
1400
2400
3400
Putaran motor (rpm)
1,4
4
1,2
3,5
Daya (hp)
2,5 0,8 2 0,6 1,5 0,4
1
Hp (Hp) 0,2
0,5
Torsi (Nm)
0 1400
Torsi (Nm)
3
1
0 2400
3400
4400
Putaran motor (rpm)
72
Data Bensin Normal: 3
7
2,5
6
Daya (hp)
4 1,5 3 1
Torsi (Nm)
5
2
2 Hp (Hp)
0,5
1
Torsi (Nm)
0 1500
0 2500
3500
4500
Putaran motor (rpm)
3
7
2,5
6
Daya (hp)
4 1,5 3 1
Torsi (Nm)
5
2
2 Hp (Hp)
0,5
1
Torsi (Nm)
0 1500
0 2500
3500
4500
Putaran motor (rpm)
73
2,5
7
6 2
1,5
4 3
1 Hp (Hp) 0,5
Torsi (Nm)
0 1500
Torsi (Nm)
Daya (hp)
5
2 1 0
2500 3500 Putaran motor (rpm)
4500
74
LAMPIRAN 6. GAMBAR TEKNIK
75
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR NAMA MESIN : KARBURATOR BIOGAS
SKALA : 3:2 Keterangan STD
Dirancang Digambar
Ade Prisma Pranayuda
Diperiksa
Dr. Ir. Desrial, M.Eng
Disetujui
Dr. Ir. Desrial, M.Eng
NAMA BAGIAN
GENERAL VIEW
Ade Prisma Pranayuda MATERIAL No. Gambar
FBR
1
A4
8
5
9 6
10
7
1
Bahan
No
Keterangan
1
Venturi
1
Aluminium
2
Selongsong Venturi
1
Kuningan
3
Dudukan
2
Aluminium tebal 5 mm
4
O-ring Seal
2
Karet
5
Tuas throttle
1
Akrilik tebal 5 mm
6
Batang Throttle
1
Besi diameter 5.5 mm
7
Piringan Throttle
1
Aluminium tebal 1 mm
8
Tuas Choke
1
Akrilik tebal 5 mm
9
Batang Choke
1
Besi diameter 5.5 mm
10
Piringan Choke
1
Aluminium tebal 5 mm
11
Pegas
1
Pegas Baja
12
Baud
3
Baud ukuran M3
13
Dudukan sekrup throttle
1
Akrilik tebal 5 mm
Jml
3 11 2 12
13
4
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR NAMA MESIN : KARBURATOR BIOGAS
SKALA : 1:1 Keterangan STD
Ade Prisma Pranayuda
Dirancang Digambar
Ade Prisma Pranayuda
Diperiksa
Dr. Ir. Desrial, M.Eng
Disetujui
Dr. Ir. Desrial, M.Eng
NAMA BAGIAN
EXPLODED VIEW MATERIAL No. Gambar
FBR
2
A4
3 R2,75
R16
10
R14
14 50 60
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR NAMA MESIN : KARBURATOR BIOGAS
SKALA : 3:2 Keterangan STD
Dirancang Digambar
Ade Prisma Pranayuda
Diperiksa
Dr. Ir. Desrial, M.Eng
Disetujui
Dr. Ir. Desrial, M.Eng
NAMA BAGIAN
VENTURI
Ade Prisma Pranayuda MATERIAL
Aluminium diameter 1.5" No. Gambar
FBR
3
A4
50
A
C
No
Nama Bagian
Jumlah
Material
A
Selongsong Venturi
1
Kuningan diameter 1.5"
B
Inlet biogas
1
Niple kuningan 3/8"
C
Dudukan baud
1
Akrilik tebal 5 mm
D
Penahan choke
1
Pegas diameter 3.5 mm
E
Pengatur idle
1
Baud M3 X 1.25
D E
10,7
12,7
R19
22,6
R17 B
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR NAMA MESIN : KARBURATOR BIOGAS
SKALA : 1:1 Keterangan STD
Dirancang Digambar
Ade Prisma Pranayuda
Diperiksa
Dr. Ir. Desrial, M.Eng
Disetujui
Dr. Ir. Desrial, M.Eng
Ade Prisma Pranayuda
NAMA BAGIAN
SELONGSONG VENTURI MATERIAL No. Gambar
FBR
4
A4
22
R5 R2,75
No
Nama Bagian
Jumlah
Material
A
Tuas Choke
1
Akrilik tebal 5 mm
B
Batang Choke
1
Besi diameter 5.5 mm
C
Piringan Throttle
1
Pelat aluminium tebal 1 mm
D
Baud
1
Baud ukuran M3 X 1.25
22
5
A
D
23,4
C
40
B
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR
24
NAMA MESIN : KARBURATOR BIOGAS
SKALA : 3:2 Keterangan STD
Dirancang Digambar
Ade Prisma Pranayuda
Diperiksa
Dr. Ir. Desrial, M.Eng
Disetujui
Dr. Ir. Desrial, M.Eng
NAMA BAGIAN
CHOKE
Ade Prisma Pranayuda MATERIAL No. Gambar
FBR
5
A4
22
R1,2
No
Nama Bagian
Jumlah
Material
A
Tuas Throttle
1
Akrilik tebal 5 mm
B
Batang Throttle
1
Besi diameter 5.5 mm
C
Baud
1
Baud ukuran M3 X 1.25
D
Piringan Throttle
1
Pelat aluminium tebal 1 mm
R5 R2
A
13
16
5
13
D
14
C
55
B
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR NAMA MESIN : KARBURATOR BIOGAS
SKALA : 3:2 Keterangan STD
Dirancang Digambar
Ade Prisma Pranayuda
Diperiksa
Dr. Ir. Desrial, M.Eng
Disetujui
Dr. Ir. Desrial, M.Eng
NAMA BAGIAN
THROTTLE
Ade Prisma Pranayuda MATERIAL No. Gambar
FBR
6
A4
5
22
56
R14
R6
R18
R3,5
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR NAMA MESIN : KARBURATOR BIOGAS
SKALA : 3:2 Keterangan STD
FBR
NAMA BAGIAN
Dirancang Digambar
Ade Prisma Pranayuda
Diperiksa
Dr. Ir. Desrial, M.Eng
MATERIAL
Disetujui
Dr. Ir. Desrial, M.Eng
Aluminum plat 5mm No. Gambar
FLANGE
Ade Prisma Pranayuda
7
A4
