MediaTeknika Jurnal Teknologi Vol.10, No.1, Juni 2015
59
Effect of Low Purity Methanol on Soot Emission in Direct Injection Diesel Engine Using Exhaust Gas Recirculation Stefan Mardikus Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Kampus III Paingan Maguwoharjo Depok Sleman Yogyakarta, Telp. 0274 883037 Penulis korespondensi, e-mail:
[email protected] Abstract Diesel particulate filter (DPF) is one of the techniques to reduce the soot emission from diesel engines. However, the use of DPF causes high pressure drop in tailpipe of diesel engine resulting the rise of fuel consumption. Therefore, addition of Low Purity Methanol (LPM) reduces the soot emission from diesel engine. Low purity methanol has a high oxygen content and cooling effect from a higher water content influences cyclopenta compound from the decrease. The aim of this study was to find the effect of pure diesel and the blends of diesel. The blended ratio of LPM to diesel fuel are 100/0, 95/5, 90/10, 85/5 on the basis volume. The Experiment has been varied with a load started from 25%, 50%, 75%, 100% and under a constant of 2000 rpm. The experiment result showed that soot emission will be around decrease 68,37% when the addition of 15% LPM. Keywords: Diesel Engine, Smoke Emission, Exhaust Gas Recirculation, Low Purity Methanol
1. Pendahuluan Menipisnya cadangan bahan bakar fosil dan meningkatnya polusi udara disebabkan oleh pembakaran tidak sempurna dari proses pembakaran. Mesin diesel adalah salah satu mesin yang sangat sesuai untuk transportasi dan kendaraan angkut berat. Peranannya dalam kesejahteraan ekonomi, efisiensi pembakaran yang tinggi, kehandalan, flexibilitas bahan bakar dan rendahnya konsumsi bahan bakar membuat mesin diesel banyak digunakan dibeberapa Negara [1]. Akan tetapi, mesin diesel memiliki emisi NOx dan smoke emission lebih tinggi daripada mesin bensin. Telah terbukti bahwa polutan dari emisi kendaraan bermotor berdampak signifikan terhadap sistem ekologi dan kesehatan manusia [2]. EGR merupakan salah satu metode untuk mengendalikan emisi yang ditimbulkan dari mesin diesel. Metode ini dilakukan dengan mensirkulasikan sebagian gas buang ke dalam intake manifold yang kemudian bercampur dengan udara sebelum masuk ke dalam ruang bakar. EGR dapat mereduksi NOx karena temperatur di ruang bakar menurun [3]. Metode EGR dibagi menjadi dua, yang pertama Hot EGR dimana sebagian gas buang disirkulasikan kembali tanpa didinginkan sehingga menyebabkan peningkatan suhu intake, yang kedua Cold EGR dimana sebagian gas buang yang disirkulasikan didinginkan dengan menggunakan heat exchanger yang menyebabkan penurunan suhu intake [4]. Selain itu, penilitian mengenai pengaruh variasi tekanan injeksi (180 bar, 200 bar dan 220 bar) dan waktu injeksi (150, 200, dan 250) terhadap performa dan emisi mesin diesel direct injection berbahan bakar campuran diesel fuel dan methanol telah diteliti, dan terbukti bahwa peningkatan tekanan injeksi dan waktu injeksi menyebabkan menurunnya smoke emission, CO, THC, tetapi emisi NOx meningkat [5]. Bahan bakar diesel merupakan bahan bakar fosil yang tidak dapat diperbaharui. Oleh karena itu, bahan bakar alternatif pengganti bahan bakar diesel perlu dikembangkan. Biodiesel merupakan bahan bakar alternatif pengganti bahan bakar diesel, akan tetapi penggunaan bahan bakar biodiesel 100% masih perlu diteliti menyangkut performa mesin diesel karena perbedaan sifat-sifat fisiknya [6]. Hal inilah yang mendorong untuk dilakukan penelitian Diterima 25 Oktober 2013; Direvisi 20 Desember 2013; Disetujui 28 Desember 2013
60
ISSN: 1412-5641
pengaruh campuran bahan bakar diesel dan low purity methanol terhadap smoke emission mesin diesel. Metanol digunakan sebagai aditif campuran bahan bakar yang bertujuan sebagai penyedia oksigen dan meningkatkan kalor penguapan, sehingga diharapkan mereduksi jumlah NOx dan PM (Particular Matter) [2]. Pada penelitian ini, difokuskan pada pengaruh EGR terhadap smoke emission mesin diesel direct injection menggunakan campuran bahan bakar diesel dan low purity methanol 2. Metode Penelitian Penelitian ini menggunakan mesin diesel water cooled, 4 silinder, direct injection, dengan menggunakan prosentase campuran low purity methanol 5%, 10%, dan 15% menggunakan EGR. Pada pengujian ini, setiap prosentase campuran bahan bakar diberi variasi beban dan variasi laju aliran massa EGR. Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh penggunaan campuran low purity methanol menggunakan EGR terhadap smoke emission. Spesifikasi mesin uji seperti tersaji dalam Tabel 1, dan sifat bahan bakar yang digunakan disajikan dalam Tabel 2. Skema mesin uji ditunjukkan seperti terlihat pada Gambar 1. Tabel 1. Spesifikasi mesin uji[11] Jenis Spesifikasi Tipe mesin Isuzu 4JB1, 4 cylinder, 4 stroke, OHV, vertical in-line, direct Jumlah silinder injection Diameter silinder 4 Panjang silinder 93 mm Rasio kompresi 102 mm Tekanan kompresi 18.2 Total volume silinder 31 kg/cm2 Daya maximum 2771 cc Torsi maximum 52.2 kW at 3000 rpm Tekanan injeksi 178.96 Nm at 2000 rpm Waktu injeksi 185 kg/cm2 Katub masuk terbuka 120 BTDC Katub buang terbuka 24.50 BTDC 24.50 BBDC
Tabel 2. Sifat Bahan Bakar Diesel and LPM [12] Jenis Bahan Bakar LPM Diesel Nilai kalor (kJ/kg) 45213.8 21957.7 Viskositas (mm2/s) 2-5 0.46 Angka setane 48 3.3 Kandungan air (%) 0.05 24.88
Mesin diesel (1) dihubungkan dengan dinamometer hidrolik (2) kemudian diberi variasi beban oleh pompa dinamometer (3) dari tangki air (4) seperti yang diperihatkan pada gambar 1. Variasi beban mesin diatur menggunakan katub bukaan beban (6). Kemudian, laju EGR diatur dengan menggunakan katub bukaan EGR (5). Penukar kalor (7) digunakan untuk mengatur variasi temperatur EGR. Dalam penelitian ini, penukar kalor tidak digunakan. Manometer pipa U (8) dan (9) digunakan untuk mengukur laju aliran massa EGR dan udara. Pengujian ini dilakukan dengan menggunakan variasi beban mesin dari 25% sampai 100% dengan interval 25% pada 2000 rpm berdasarkan torsi maximum yang dicapai. Laju EGR dikendalikan secara MediaTeknika Vol. 10, No. 1, Juni 2015: 59 – 64
MediaTeknika
ISSN: 1412-5641
61
manual dengan menggunakan katub bukaan EGR dari bukaan 25% sampai 100% dengan interval 25%. Temperatur gas buang, EGR inlet dan outlet diukur dengan menggunakan termokopel tipe K yang nilainya dapat ditunjukkan pada display monitor (10-13). Pengukuran temperatur air pendingin mesin menggunakan termokopel tipe K dengan monitor penunjuk (14). Pengukur putaran (22) digunakan untuk mengukur kecepatan mesin yang ditampilkan pada display monitor (15). Load cell (16) digunakan untuk mengukur gaya yang dihasilkan dari dynamometer. Tangki bahan bakar (17) dihubungkan dengan buret (19) digunakan untuk mengukur konsumsi bahan bakar. Katub bahan bakar (18) dan (20) digunakan untuk mengatur persediaan bahan bakar. Emisi smoke yang dikeluarkan dari mesin diesel diukur dengan menggunakan smoke meter [23].
Gambar 1. Skema Penelitian.
Keterangan : 1. Mesin diesel 2. Dinamometer hidraulik 3. Pompa dinamometer 4. Tangki air 5. Katub bukaan EGR 6. Katub bukaan beban 7. Penukar kalor 8. Manometer pipa U 1 9. Manometer pipa U 2 10. Temperatur gas buang 11. Temperatur EGR masuk 12. Temperatur EGR keluar 13. Temperatur udara masuk 14. Temperatur air pendingin 15. Monitor penunjuk 16. Load cell 17. Tangki bahan bakar 18. Katub bahan bakar 1 19. Buret 20. Katub bahan bakar 2 21. Pompa bahan bakar 22. Pengukur putaran 23. Smoke meter 24. Gas Analyzer 25. Inlet Gas Analyzer
3. Hasil dan Pembahasan Gambar 2, 3, 4, dan 5 menunjukkan pengaruh EGR terhadap smoke opacity dengan variasi beban menggunakan bahan bakar D100, D95LPM5, D90LPM10, dan D85LPM15. Pada setiap variasi bahan bakar, nilai smoke opacity meningkat dengan meningkatnya beban. Nilai smoke opacity meningkat ketika menggunakan EGR pada variasi bahan bakar D100, D95LPM5, D90LPM10, dan D85LPM15. Hal ini dikarenakan EGR dapat mengurangi jumlah udara segar di dalam ruang bakar sehingga mereduksi konsentrasi oksigen yang mengakibatkan temperatur di dalam ruang bakar menurun [6],[7]. Pada Gambar 2, 3, 4, dan 5, peningkatan nilai smoke opacity pada variasi bahan bakar D100, D95LPM5, D90LPM10, dan D85LPM15 ketika menggunakan katub bukaan EGR 25%, 50%, 75%, 100% dengan beban 100% terhadap katub bukaan EGR 0% pada beban yang sama sebesar 0,9%, 2,25%, 3,12%, 4,39% untuk D100, 19,08%, 51,26%, 56,11%, 57,57% untuk D95LPM5, 20,94%, 53,40%, 58,15%, 59,58% untuk D90LPM10 dan 41,03%, 47,50%, 60,79%, 62,85% untuk D85LPM95.
Effect of low purity…, Stefan Mardikus
ISSN: 1412-5641
40
40
32
32
24
16
OEV D100 OEV 0% OEV 25% OEV 50% OEV 75% OEV 100%
8
Smoke Opacity [%]
Smoke Opacity [%]
62
25
50
75
24
16
8
0
0 0
OEV D95LPM5 OEV 0% OEV 25% OEV 50% OEV 75% OEV 100%
0
100
25
50
Gambar 2. Pengaruh EGR Terhadap Smoke Opacity dengan Variasi Beban Menggunakan Bahan Bakar D100.
OEV D85LPM15 OEV 0 % OEV 25 % OEV 50 % OEV 75 % OEV 100 %
32
Smoke Opacity [%]
Smoke Opacity [%]
40
OEV D90LPM10 OEV 0 % OEV 25 % OEV 50 % OEV 75 % OEV 100 %
24
100
Gambar 3. Pengaruh EGR Terhadap Smoke Opacity dengan Variasi Beban Menggunakan Bahan Bakar D95LPM5
40
32
75
Load [%]
Load [%]
16
24
16
8
8
0
0 0
25
50
75
100
Load (%)
Gambar 4. Pengaruh EGR Terhadap Smoke Opacity dengan Variasi Beban Menggunakan Bahan Bakar D90LPM10.
0
25
50
75
100
Load [%]
Gambar 5. Pengaruh EGR Terhadap Smoke Opacity dengan Variasi Beban Menggunakan Bahan Bakar D85LPM15.
Gambar 6, 7, 8, 9, dan 10 menunjukkan pengaruh campuran bahan bakar terhadap smoke opacity dengan variasi beban pada variasi bukaan katub EGR 0%, 25%, 50%, 75%, dan 100%. Pada setiap variasi bukaan katub EGR, nilai smoke opacity meningkat dengan meningkatnya beban. Ketika menggunakan metanol pada setiap variasi campuran bahan bakar diesel-metanol, nilai smoke opacity menurun. Hal ini dikarenakan metanol memiliki konsentrasi oksigen yang tinggi di dalam ruang bakar sehingga mengakibatkan menurunya nilai opacity. Selain itu metanol memiliki kandungan air yang tinggi sebesar 24,88%. Pengaruh H2O dapat menurunkan salah satu unsur pembentuk emisi soot yaitu cyclopenta (C18H10) [8]. Pada Gambar 6, 7, 8, 9, dan 10, perbedaan nilai smoke opacity dipengaruhi oleh beberapa parameter lainnya seperti injection pressure dan ambient gas temperature [9]. Penambahan prosentase metanol pada bahan bakar D95LPM5, D90LPM10, D85LPM15 mengakibatkan adanya sedikit penurunan nilai smoke opacity. Hal ini dikarenakan tingginya injection pressure mengakibatkan soot oxidation dari partikel O2 dengan produk hasil pembakaran meningkatkan laju oksidasi soot spesifik [5],[10], sedangkan tingginya ambient gas temperature mengakibatkan menurunnya volume fraksi soot [9]. Pada Gambar 6, 7, 8, 9, dan 10, penurunan nilai smoke opacity pada setiap variasi katub bukaan EGR 0%, EGR 25%, EGR 50%, 75%, dan 100% ketika menggunakan campuran bahan MediaTeknika Vol. 10, No. 1, Juni 2015: 59 – 64
MediaTeknika
ISSN: 1412-5641
63
bakar D95LPM5, D90LPM10 dan D85LPM15 pada beban 100% terhadap bahan bakar D100 pada beban yang sama berturut-turut sebesar 62,42%, 64,79%, dan 68,37% untuk EGR 0%, 53,57%, 55,84%, dan 46,86% untuk EGR 25%, 22,89%, 24,43%, dan 39,76% untuk EGR 50%, 17,04%, 18,48%, dan 21,87% untuk EGR 75%, 15,31%, 16,72%, dan 18,60% untuk EGR 100%. 40
40
OEV 0% D100 D95LPM5 D90LPM10 D85LPM15
OEV 25% D100 D95LPM5 D90LPM10 D85LPM15
32
Smoke Opacity [%]
Smoke Opacity [%]
32
24
16
24
16
8
8
0
0 0
25
50
75
0
100
25
50
Load [%]
Gambar 6. Pengaruh Campuran Bahan Bakar Terhadap Smoke Opacity dengan Variasi Beban Menggunakan Bukaan Katub EGR 0%..
100
Gambar 7. Pengaruh Campuran Bahan Bakar Terhadap Smoke Opacity dengan Variasi Beban Menggunakan Bukaan katub EGR 25%.
40
40
OEV 50% D100 D95LPM5 D90LPM10 D85LPM15
32
Smoke Opacity [%]
32
Smoke Opacity [%]
75
Load [%]
24
16
8
0
24
16
OEV 75% D100 D95LPM5 D90LPM10 D85LPM15
8
0
0
25
50
75
100
0
25
50
Load [%]
75
100
Load [%]
Gambar 8. Pengaruh Campuran Bahan Bakar Terhadap Smoke Opacity dengan Variasi Beban Menggunakan Bukaan Katub EGR 50%.
Gambar 9. Pengaruh Campuran Bahan Bakar Terhadap Smoke Opacity dengan Variasi Beban Menggunakan Bukaan Katub EGR 75%.
40
Sm oke O pacity [% ]
32
24
16
O E V 10 0 % D100 D95LPM5 D90LPM10 D85LPM15
8
0 0
25
50
75
100
L o ad [% ]
Gambar 10. Pengaruh Campuran Bahan Bakar Terhadap Smoke Opacity dengan Variasi Beban Menggunakan Bukaan Katub EGR 100% Effect of low purity…, Stefan Mardikus
64
ISSN: 1412-5641
4. Kesimpulan Penelitian tentang pengaruh EGR dan campuran bahan bakar diesel-low purity methanol pada smoke opacity mesin diesel direct injection telah dilakukan. Berdasarkan hasil eksperimen, dapat disimpulkan bahwa smoke opacity meningkat dengan meningkatnya beban mesin pada bahan bakar diesel dan campuran bahan bakar diesel-low purity methanol dengan laju EGR yang berbeda. Metode penggunaan EGR berpengaruh terhadap smoke emisi yang ditimbulkan dari mesin diesel. Peningkatan laju EGR mengakibatkan meningkatnya smoke opacity pada bahan bakar diesel dan campuran bahan bakar diesel-methanol. Pada penelitian ini mesin diesel dengan bahan bakar diesel 100%, smoke opacity meningkat secara merata terhadap meningkatnya laju EGR pada beban yang sama. Penggunaan LPM sebagai campuran bahan bakar dapat mereduksi emisi smoke opacity yang ditimbulkan oleh mesin diesel. Penurunan smoke opacity menjadi kecil ketika laju EGR meningkat, khususnya terjadi pada bukaan katub EGR 100%. Daftar Pustaka [1] [2] [3] [4] [5]
[6] [7]
Zhiqiang Guo, Tianrui Li, 2011, “Combustion and Emission Characteristic of Blends of Diesel Fuel and Methanol to Diesel”, International Journal of Fuel (90), ScienceDirect, pp. 1305-1308. Lei Zhu, C.S. Cheung, W.G. Zhang, Zhen Huang, 2010,”Emissions Characteristic of a Diesel Engine Operating on Biodiesel and Biodiesel Blended with Ethanol and Methanol”, International Journal of the Total Enviroment (408), ScienceDirect, pp. 914-921. V. Pradeep, R.P. Sharma, 2007, “Use of Hot EGR for NOx Control in a Compression Ignition Engine Fuelled with Bio-diesel from Jatropha Oil”, International Journal of Renewable Energy (32), ScienceDirect, pp. 1136-1154. L. Nirajan, Shinjo, “Experimental Investigation on The Effects of Cold and Hot EGR Using Diesel and Biodiesel as Fuel”, India, Department of Mechanical Engineering. Cenk Sayin, Ahmet Necati, Mustafa Canakci, 2010,” The Influence of Operating Parameters on The Performance and Emissions of a DI Diesel Engine Using Methanol-Blended-Diesel Fuel”, International Journal of Fuel (89), ScienceDirect, pp. 1407-1414.
Avinash K., 2004,”Effect of EGR on The Exhaust Gas Temperature and Exhaust Opacity in Compression Ignition Engines”, Sadhana, Vol 29, pp. 275-284.
Jothithirumal B., 2012, “Combined Impact of Biodiesel and Exhaust Gas Recirculation on NOx Emissions in Di Diesel Engines”, Procedia Engineering (38), ScienceDirect, pp. 1457-1466. [8] Paul D., 2012, “The Effect of CO2/H20 on The Formation of Soot Particles in The Homogeneous Environment of a Rapid Compression Facility”, International Journal of Combustion and Flame (159), ScienceDirect, pp. 1090-1099. [9] Lyle M. P., Dennis L. S., 2004, “Soot in Diesel Fuel Jets: Effects of Ambient Temperature, Ambient Density, and Injection Pressure”, International Journal of Combustion and Flame (138), ScienceDirect, pp. 114-135. [10] Heywood, JohnB.L., 1988, “Internal Combustion Engine Fundamentals”, United States of America, McGrawHill, Inc. [11] American Isuzu Motors, 2000,”Specification of Diesel Engine”, United States of America. [12] Yafid Effendi,”Uji Performa dan Emisi Mesin Diesel Campuran 3 Bahan Bakar Biosolar Metanol Jatropha”. Universitas Diponegoro : 2013.
MediaTeknika Vol. 10, No. 1, Juni 2015: 59 – 64
