KAJIAN EKSPERIMENTAL PERFORMANSI MOTOR BAKAR SATU SILINDER BAHAN BAKAR BIOGAS DAN BAHAN BAKAR GAS LPG
SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Parlindungan Hsb NIM. 110421022
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014
1
2
3
4
5
6
7
8
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadiran Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-Nya lah penulis akhirnya dapat menyelesaikan skripsi ini dengan judul “KAJIAN EKSPERIMENTAL PERFORMANSI MOTOR BAKAR SATU SILINDER DENGAN BAHAN BAKAR BIOGAS DAN
BAHAN
BAKAR GAS LPG” . Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan pendidikan Strata-1 (S1) pada departemen teknik mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, doa dan bantuan baik materiil, moril, maupun semangat dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu sebagai manusia yang harus tahu berterima kasih, dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1.
Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT selaku dosen pembimbing, yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.
2.
Bapak Dr. Ing. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
3.
Bapak Ir. A. Halim Nasution, Msc selaku penguji satu yang telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.
4.
Bapak Suprianto, ST. MT selaku penguji dua yang telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.
5.
Kedua orang tua penulis, Suib Hasibuan dan Masnilam Batubara yang tidak pernah putus-putusnya memberi dukungan, doa serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.
6.
Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.
9
7.
Rekan-rekan satu tim kerja, Sugianto Barus, Sakris Hadi Surya, dan Anggi Nuzul Bahri Hsb yang telah bersama-sama untuk menyelesaikan skripsi ini.
8.
Rekan-rekan mahasiswa ekstensi 2011 yang tidak mungkin disebutkan satupersatu, para abang senior dan adik-adik junior semua yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis, terima-kasih semoga kita tetap mempertahankan dalam
satu
hubungan
kita
atas
bantuannya
yang
terbentuk
ikatan PERSAHABATAN
Penulis menyadari bahwa masih banyak kesalahan dan kekeliruan dalam penulisan skiripsi ini. Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima saran dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima kasih
Medan, 12 Agusutus 2015
Parlindungan Hasibuan
10
ABSTRAK
Kelangkaan bahan bakar minyak yang terjadi belakangan ini telah memberikan dampak yang sangat luas di berbagai sektor kehidupan. Fluktuasi suplai dan harga minyak bumi seharusnya membuat kita sadar bahwa jumlah cadangan minyak yang ada di bumi semakin menipis. Karena minyak bumi adalah bahan bakar yang tidak bisa diperbarui, oleh karena itu kita harus mulai memikirkan bahan penggantinya. Biogas adalah salah satu bahan bakar alternatif yang dapat digunakan pada berbagai mesin, salah satunya adalah mesin bensin pada mesin potong rumput empat langkah berkapasitas 37,7 cc. Tujuan penelitian ini untuk mengetahui performansi motor bakar dengan bahan bakar LPG dan biogas. Penelitian yang dilakukan berupa pengujian performansi mesin pemotong rumput dengan bahan bakar LPG dan biogas di Universitas Sumatera Utara. Performansi yang diuji pada penelitian ini mencakup pengujian torsi, pengujian karakteristik daya, pengujian karakteristik SFC. Pengujian performansi motor bakar menggunakan rope brake dynamometer. Penelitian dilakukan dengan variasi beban pengereman dan variasi bahan bakar. Pada pengujian ini dilakukan modifikasi pada karburator. Untuk kecepatan dan beban yang sama maka bahan bakar LPG lebih efisien, dimana torsi (T) yang dihasilkan 0,565105 Nm, daya (PB) 0,476 kw, dan bahan bakar spesifik (sfc) 0,62598 gr/kwh pada putaran 8000 beban 0,6 kg, sedangkan bahan bakar biogas torsi (T) yang dihasilkan 0,168928 Nm, daya (PB) 141,5779 kw dan bahan bakar spesifik (sfc) 0,94843 gr/kwh, pada putaran dan beban yang sama.
Kata Kunci: Biogas dan LPG, memodifikasi karburator, Performansi
11
ABSTRACT
Rare of oil fuel that happened lately have given impact very vast in various life sector. Supply fluctuation and price petroleum ought to make conscious us that amount of oil reserve exist in earth progressively attenuate. Because petroleum is fuel which cannot to be renewed, therefore we need to start thinking of substitution materials. Biogas is one of the alternative fuel able to used by at various machine, the other one is gasoline engine at lawn mowers four cycles capacities 37,7 cc. Target of this research to know performance of the internal combustion engine with fuel of LPG and biogas. Research conducted in the form of perfomance of lawn mower with fuel LPG and biogas in University North Sumatera. Perfomance tested at this research including torque testing, testing of power characteristic, testing of SFC characteristic. Testing of internal combustion engine performance using the rope brake dynamometer. Research conducted with braking burden variation and fuel variation. At this tested doing modify carburettor. For speed and same burden hence fuel of LPG more efficient, where result of torque (T) is 0,565105 Nm, brake power (Pb) is 0,476 kw, and specific fuel consumption (sfc) 0,62598 gr/ kWh at rotate 8000 rpm and burden 0,6 kg, while fuel of biogas result of torque (T) 0,168928 Nm, brake power (Pb) is 141,5779 kw and specific fuel consumption (sfc) 0,94843 gr/ kWh, at same speed and burden.
Keywords : Biogas and LPG, modify carburettor, Performance
12
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ........................................................................... i ABSTRAK ............................................................................................. iii ABSTRACT ........................................................................................... i v DAFTAR ISI .......................................................................... v DAFTAR TABEL ................................................................................. viii DAFTAR GAMBAR ......................................................... ix DAFTAR NOTASI ................................................................................ x BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang ......................................................................... 1 1.2. Tujuan Penelitian ...................................................................... 2 1.3. Batasan Masalah ....................................................................... 2 1.4. Manfaat Pengujian............................................................................ 3 1.5. Sistematika Penulisan .................................................................... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pendahuluan .............................................................................. 4 2.2. Motor Bensin ............................................................................ 5 2.2.1. Cara Kerja Motor Bensin 4 Langkah ................................. 6 2.3. Performansi Motor Bakar .............................................................. 8 2.3.1. Torsi dan Daya ................................................... 9 2.3.2. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik .............................................. 10 2.3.3. Effisiensi Thermal Brake ................................................... 11 2.4. Teori Pembakaran ...................................................................... 11 2.4.1. Nilai Kalor Bahan Bakar ....................................... 12 2.5. Liquified Petroleum Gas (LPG) ................................................. 13 2.5.1. Proses Pengolahan LPG ..................................................... 14 2.5.2. Sifat LPG ........................................................................... 16 2.6. Biogas ....................................................................................... 16 2.6.1. Nilai Potensial Biogas ........................................................ 18 2.6.2. Proses Produksi Biogas ...................................................... 18 2.6.3. Faktor-faktor yang mempengaruhi produksi biogas .......... 26 2.6.4. Sistem Penyimpanan Biogas .............................................. 31 2.7. Dinamometer.............................................................................. 34
13
2.8. Mesin Potong Rumput ............................................................... 35
BAB III METODOLOGI PENGUJIAN 3.1. Waktu dan Tempat ................................................................... 36 3.2. Alat Pengujian .......................................................................... 36 3.3. Bahan Pengujian ................................................................. 40 3.3.1. Bahan Bakar ................................................................ 40 3.4. Prosedur Penelitian .................................................................. 41 3.4.1. Pembuatan Instalasi Biogas ............................................. 41 3.4.1.1. Rancang Bangun Instalasi Biogas .......................... 42 3.4.1.2. Persiapan Bahan Isian Digester ............................. 43 3.4.1.3. Proses Pengisian Bahan Pada Tangki Pencerna ..... 44 3.4.1.4. Proses Fermentasi ................................................... 45 3.4.1.5. Pengujian Biogas .................................................... 45 3.4.2. Pembuatan Rope Brake Dynamometer ............................ 46 3.4.3. Prosedur Modifikasi Mesin Potong Rumput dengan Mengunakan Bahan Bakar LPG dan Bahan Bakar Biogas ............................................................................... 48 3.4.3.1. Alat dan Bahan yang Digunakan dalam Memodifikasi Karburator ........................................... 48 3.4.3.2. Memodifikasi Karburator ....................................... 49 3.5. Prosedur Pengujian .................................................................. 5 0 3.6. Bagan Alir Pengerjaan ............................................................. 52
BAB IV HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN 4.1. Pengujian Performansi ............................................................... 4.1.1. Torsi .................................................................................. 4.1.2. Brake Power ....................................................................... 4.1.3. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC)............................. 4.1.4. Effisiensi Termal ................................................................
53 53 56 59 62
14
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan ............................................................................... 65 5.2. Saran ......................................................................................... 65 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
15
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Komposisi Jenis Gas dan Jumlahnya pada Suatu Unit Biogas ....... 16 Tabel 2.2 Nilai kesetaraan biogas dengan sumber energi lain ....................... 18 Tabel 2.3 Rasio C/N berbagai bahan organik ................................................. 20 Tabel 2.4 Perkiraan Produksi Dan Kandungan bahan kering kotoran beberapa jenis ternak ....................................................................... 29 Tabel 2.5 Produksi biogas dan lama cerna (Retention time) kotoran ternak didalam tangki pencerna ....................................................... 31 Tabel 2.6. Opsi penyimpanan biogas ............................................................... 32 Tabel 3.1 Hasil Format Pengujian Bahan Bakar LPG .................................. 51 Tabel 3.2 Hasil Format Pengujian Bahan Bakar Biogas ................................ 51 Tabel 4.1 Hasil pengujian torsi terhadap putaran dengan variasi bahan bakar Gas LPG dan biogas ........................................................................ 54 Tabel 4.2 Hasil perhitungan brake power terhadap putaran dengan variasi bahan bakar Gas LPG dan biogas .................................................. 57 Tabel 4.3 Hasil perhitungan SFC terhadap putaran dengan variasi bahan bakar gas LPG dan biogas ............................................................... 60 Tabel 4.4 Efisiensi Thermal Brake (ηb) pada beban 0,6 kg dan 0,2 kg bahan bakar LPG ...................................................................................... 62 Tabel 4.5 Efisiensi Thermal Brake (ηb) pada beban 0,6 kg dan 0,2 kg bahan bakar Biogas .................................................................................... 63
16
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Mesin Bensin empat langkah ............................................. 6 Gambar 2.2. Diagram P-V dan T-S Siklus Otto Ideal ............................ 6 Gambar 2.3. Cara kerja motor bensin empat langkah .......................8 Gambar 2.4. daya dan torsi sebagai fungsi putaran ................................ 10 Gambar 2.5. Skema Pengolahan LPG ............................................15 Gambar2.6. Proses pembentukan biogas .............................................. 22 Gambar 2.7 Diagram tekanan uap metan dan CO2 ................................. 33 Gambar 2.8. Rope brake Dinamometer ................................................ 35 Gambar 2.9. Desain Rope Brake Dynamometer ..................................... 35 Gambar 2.10 Mesin Potong Rumput....................................................... 35 Gambar 3.1. Mesin Potong Rumput Tagawa tgx-437 ........................36 Gambar 3.2. Rope Brake Dynamometer ................................................. 37 Gambar 3.3. Tachometer ........................................................................ 38 Gambar 3.4. Timbangan Gantung Digital .............................................. 38 Gambar 3.5. Timbangan Digital ............................................39 Gambar 3.6. Bahan bakar biogas ditempatkan pada ban dalam ...........39 Gambar 3.7. Stopwatch .......................................................................... 39 Gambar 3.8. Toolbox ............................................................................ 40 Gambar 3.9. Tabung Gas LPG 3 kg ........................................................ 40 Gambar 3.10 Bahan bakar biogas ditempatkan pada ban dalam ........... 41 Gambar 3.11 Tangki Pengaduk .................................................................................................. 42 Gambar 3.12 Tangki Pencerna (Digester) ........................................................................ 4 3 Gambar 3.13 Tangki pengumpul gas ....................................................... 43 Gambar 3.14 Proses persiapan bahan isi digester ....................................................... 44
17
Gambar 3.15 Proses Pemasukan bahan isi digester......................................... 44 Gambar 3.16. Proses pengamatan biogas hasil fermentasi .................... 45 Gambar 3.17. Proses pengujian biogas hasil fermentasi ........................ 45 Gambar 3.17. Diagram alir pembuatan instalasi biogas ........................ 46 Gambar 3.18. Diagram alir pembuatan rope brake dynamometer .......... 47 Gambar 3.19 Karburator ......................................................................... 48 Gambar 3.20 Selang regulator................................................................. 48 Gambar 3.21 Kran ................................................................................... 49 Gambar 3.22 Selang minyak sepeda motor............................................. 49 Gambar 3.23 Orifice................................................................................ 49 Gambar 3.24 Karburator yang dimodifikasi ........................................... 50 Gambar 3.25 Bagan alir prosedur pengerjaan ......................................... 52 Gambar 4.1 Grafik Torsi vs putaran untuk beban 0,6 kg ......................55 Gambar 4.2 Grafik Torsi vs putaran untuk beban 0,2 kg ......................55 Gambar 4.3 Grafik putaran vs brake power untuk beban 0,6 kg............58 Gambar 4.4 Grafik Torsi vs putaran untuk beban 0,2 kg ......................58 Gambar 4.5 Grafik putaran vs sfc untuk beban 0,6 kg .........................61 Gambar 4.6 Grafik putaran vs sfc untuk beban 0,2 kg..........................61 Gambar 4.7 Grafik Putaran vs efisiensi thermal bahan bakar LPG beban 0,6 kg dan 0,2 kg .......................................................... 63 Gambar 4.8 Grafik Putaran vs efisiensi thermal bahan bakar biogas beban 0,6 kg dan 0,2 kg .......................................................... 64
18
DAFTAR NOTASI
AFR
Rasio massa udara-bahan bakar
HHV
Nilai kalor atas
kJ/kg
LHV
Nilai kalor bawah
kJ/kg
ma
Massa udara
kg
ṁa
Laju aliran massa udara
kg/s
mf
Massa bahan bakar
kg
ṁf
Laju aliran bahan bakar
kg/jam
n
Putaran mesin
rpm
Nc
Jumlah silinder
ηb ηc ηf 𝑃𝑃
Effisiensi termal brake Effisiensi pembakaran Effisiensi konversi bahan bakar Daya
%
Pa
Tekanan udara
Pa
CV
Nilai kalor bahan bakar
(kJ/kg)
R
Konstanta gas
J/kg.K
Sfc
Konsumsi bahan bakar spesifik
g/kW.h
τ
Torsi keluaran mesin
N.m
Ta
Temperatur udara
K
𝑡𝑡𝑓𝑓
Waktu untuk menghabiskan bahan bakar
s
Vc
Volume clearance
m3
Vd
Volume langkah torak
m3
Watt
19
