Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya 15 Agustus 2013 ISBN No.
KAJIAN VARIASI KUAT MEDAN MAGNET PADA ALIRAN BAHAN BAKAR TERHADAP UNJUK KERJA DAN EMISI MESIN SINJAI 2 SILINDER 650 CC Syarifudin, Bambang Sudarmanta Lab. TPBB Jurusan Teknik Mesin, FTI-ITS Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] ,
[email protected] Abstrak Pemberian kuat medan magnet pada aliran bahan bakar akan menghasilkan resonansi partikel–partikel bahan bakar sehingga mampu memperoleh effisiensi pembakaran yang lebih baik. Perlakuan ini akan menyebabkan ketidakstabilan molekul hidrokarbon serta lebih reaktif lagi sebelum masuk ke dalam ruang bakar engine. Pengujian dimulai dengan pengujian spektroskopi fourier transform infra red (FTIR) dan unjuk kerja engine. Masing-masing tanpa dan dengan pemberian magnet 100, 200 dan 300 gauss. Pengujian FTIR untuk mengetahui struktur molekul bahan bakar sebelum dan sesudah dikenai magnet. Untuk pengujian unjuk kerja dilakukan dengan mesin Sinjai 2 silinder 650 cc dengan metode variabel speed antara 2000 s.d 5000 rpm interval 500 rpm dengan bukaan katub penuh. Parameter yang diukur adalah waktu konsumsi bahan bakar, torsi, putaran mesin, emisi (CO, HC), Texhaust, Thead silinder, dan Toli. Dan parameter yang dihitung adalah daya, bmep, sfc dan effisiensi thermal. Pengujian FTIR menunjukkan untuk intensitas transmitansi Pada panjang gelombang 2871,81, 2925,81 dan 2958,6 cm-1 secara rata-rata terjadi kenaikan sebesar 60,91% ketika sampel bensin dimagnetisasi 300 gauss. Untuk unjuk kerja engine penambahan magnet 300 gauss menghasilkan kenaikan torsi, daya, BMEP dan effisiensi thermal, masing – masing sebesar 6,876%, 6,676%, 6,876%, dan 14,376%. Dan penurunan Sfc sebesar 11,555%, emisi CO dan HC mengalami penurunan 23,427% dan 12,898%. Kata kunci : hidrokarbon, kuat medan magnet, unjuk kerja engine, FTIR, Mesin Sinjai
1. Pendahuluan Dengan era perkembangan zaman yang begitu pesat, dan juga Semakin menipisnya cadangan energi fosil khususnya minyak bumi telah menjadi salah satu isu penting dan topik hangat yang sering kita dengar pada dekade ini. Dikutip dari republika.co.id Pemerintah memperkirakan cadangan minyak Indonesia bakal habis pada 2032 nanti Tanpa kebijakan penghematan bahan bakar minyak (BBM) dan diversifikasi energi, konsumsi BBM bersubsidi akan meningkat rata-rata 10 persen per tahun sehingga diperkirakan akan habis dalam 20 tahun mendatang[1]. Disamping itu Minyak merupakan Bahan bakar tidak dapat diperbaharui, penghematan dan peningkatan kualitas bahan bakar minyak menjadi sesuatu yang sangat penting oleh karena itu dengan kondisi yang demikian banyak masyarakat lebih cenderung mencari cara bagaimana meningkatkan efisiensi dari unjuk kerja mesin. Peningkatan efisiensi yang terjadi diikuti dengan kenaikan daya yang besar. Begitu pula dengan turunnya konsumsi bahan bakar serta kandungan dari polutan gas buang yang kecil. Memberikan kuat medan magnet pada aliran bahan bakar dapat menghasilkan resonansi partikel–partikel bahan bakar sehingga mampu memperoleh effisiensi pembakaran yang lebih
baik. Dengan memvariasikan kuat medan magnet pada aliran masuknya bensin ke ruang bakar akan memberikan efek tersendiri dari unjuk kerja mesin yang di timbulkan. Perlakuan ini akan menyebabkan resonansi dan membuat tidak stabil rantai hidrocarbon serta lebih reaktif lagi sebelum masuk ke dalam ruang bakar engine. Penyaluran BBM melalui medan magnet terlebih dahulu sebelum masuk ke karburator atau nozzle injeksi akan memecah ikatan C dan H dalam BBM sehingga memberikan kekuatan C dan H untuk mengikat O2. Dengan demikian jumlah campuran BBM dan O2 akan ideal sehingga pembakaran yang berlangsung lebih effisien dan bersih 2. Tinjauan Pustaka 2.1 Molekul dan magnetisasi . Pada umumnya Molekul hidrokarbon dalam senyawa bensin akan melakukan aktifitas getaran (vibrasi) dalam arah intinya. Selain itu cenderung untuk saling tarik menarik satu sama lain, membentuk molekul-molekul yang bergerombol (clustering). Penggumpalan ini akan terjadi, sehingga menyebabkan molekul molekul hidrokarbon tidak saling berpisah pada saat bereaksi dengan oksigen. Hal ini mengakibatkan ketidaksempurnaan pembakaran yang dapat diukur pada kandungan gas buang [2]
Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya 15 Agustus 2013 ISBN No.
langsung oleh kuat medan magnet. Arah aliran bakar yang digunakan harus searah dengan arah medan magnet yakni menuju ke arah kutub utara dari magnet. Jadi aliran bahan bakar akan masuk melalui kutub selatan dan keluar melalui kutub utara dari magnet. Gambar 1. molekul hidrokarbon yang sulit bereaksi dengan oksigen Molekul penyusun utama bensin (hidrokarbon) bersifat diamagnetik, dimana memiliki momen spin elektron berpasangan sebagai akibat ikatan C-H. Saat diberikan medan magnet eksternal, momen magnet terinduksi secara lemah. Momen magnet ini berasal dari orbit elektron sekitar inti yang menghasilkan medan magnet. Pada suatu medan magnet eksternal, ekstra torque diaplikasikan ke elektron menghasilkan orientasi anti paralel momen magnet atau yang lemah terhadap medan magnet Suatu medan magnet yang cukup kuat pada molekul hidrokarbon menyebabkan reaksi penolakan antar molekul hidrokarbon (de clustering) sehingga terbentuk jarak optimal antar molekul hidrokarbon dengan oksigen fenomena tersebut diilustrasikan pada gambar
Gambar 4 Konsep instrumen kuat medan magnet Keterangan 1. pipa tanki 2. pipa saluran bahan bakar 3. magnet permanen 4. lilitan tembaga.
Gambar 5 Instrumen kuat medan magnet serta arah aliran
Gambar 2 Ilustrasi bensin melewati medan magnet[3] Penyaluran BBM melalui medan magnet terlebih dahulu sebelum masuk ke nozzle injeksi akan merenggangkan ikatan C dan H dalam BBM sehingga memberikan kekuatan C dan H dan lebih mudah untuk mengikat O2. Dengan demikian jumlah campuran BBM dan O2 akan ideal sehingga pembakaran yang berlangsung lebih effisien dan bersih. yang ditunjukkan lebih rendahnya gas polutan dalam kandungan
Dengan menggabungkan antara magnet permanen dan juga magnet bangkitan elektromagnet maka diharapkan arah aliran bahan bakar yang mengalir bisa berinteraksi langsung dengan arah kuat medan magnet yakni lebih tepatnya dari ujung kutub selatan meunuju ujung kutub utara lalu disalurkan ke arah selang nozzle injeksi. 2.3 Fourier Transform Infra Red (FTIR) untuk mendapatkan hasil yang valid dalam pengujian pengaruh magnet terhadap kandungan hidro karbon (bensin), maka akan dilakukan analisa sampel yang telah dipengaruhi kuat medan magnet, yang nantinya akan diuji dengan metode penyerapan infra merah atau FTIR (Fourier Transform-Infra Red).
Gambar 3 Animasi molekul yang termagnetisasi bereaksi dengan oksigen 2.2 Profil Instrument Kuat Medan Magnet Instrumen kuat medan magnet kali ini merupakan hasil dari gabungan antara medan magnet permanen dan juga bangkitan hasil elektromagnet arus aki 12 volt. Dimana aliran bahan bakar yang mengalir akan dipengaruhi
Gambar 6 Skema alat spektrofotometer infra merah[4]
Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya 15 Agustus 2013 ISBN No.
Fourier Transform Infra Red Spectroskopy (FTIR) merupakan suatu teknik yang digunakan untuk menganalisa komposisi kimia dengan mengasumsikan semua molekul menyerap sinar infra merah, kecuali molekul monoatom (He, Ne, Ar, dll) dan molekul homopolar diatomik ( H2, N2, O2, dll)[5]. 3. Metodologi Penelitian Pengujian dimulai dengan pengujian Fourier Transform Infra Red (FTIR) di Lab intrumentasi zat padat Kimia FMIPA-ITS dengan memvariasi kuat medan magnet yaitu sebesar 100, 200 dan 300 gauss pada sampel bahan bakar yang dimagnetisasi tanpa retensi waktu. Pengujian ini membuktikan seberapa besar penyerapan inframerah terhadap molekul yang telah mengalami magnetisasi Sedangkan untuk pengujian unjuk kerja engine dilakukan dengan variabel speed dari 2000 sampai dengan 5000 rpm dengan bukaan katup penuh pengaturan beban melalui waterbrake dynamometer.
Gambar 7. Gambar skema pengujian Keterangan: 1. Tangki bahan bakar. 2. Gelas ukur. 3. Instrumen medan magnet. 4. Aki listrik DC. 5. Kabel gas 6. Mesin sinjai 2 silinder 650 cc. 7. Knalpot. 8. Flexibel coupling. 9. Tacometer. 10. Water brake dynamometer. 11 .Valve 12. Pompa Air 13.Tandon Air 14. Blower 15. Gas analyzer 16. Resistor variabel
4. Hasil dan Pembahasan Pengujian fourier transform Infra red (FTIR) didapatkan hasil representasi dari penyerapan radiasi infra merah antara kondisi bensin tanpa magnetisasi dengan yang dimagnetisasi sebagai berikut
Gambar 8 representasi hasil pengujian FTIR Keterangan : 1. kondisi sampel bensin standart 2. kondisi magnetisasi 100 gauss 3. kondisi magnetisasi 200 gauss 4. kondisi magnetisasi 300 gauss Dari gambar grafik diatas mereprensentasikan tidak ada perubahan struktur senyawaan pada magnetisasi kuat medan magnet pada bahan bakar, tapi senyawaan tersebut mengalami perubahan harga serapan atau transmisi radiasi pada strukturnya, yakni presentase transmittance radiasi infra merah terhadap senyawa tersebut. Semakin besar kuat medan magnet yang digunakan maka semakin besar pula radiasi infra merah yang diserap oleh molekul. Dengan pemberian kuat medan magnet lebih besar maka akan memberikan kekuatan efek jauh lebih besar untuk merenggangkan ikatan molekul hidrokarbon yang cenderung bergerombol (cluster). Besar kuat medan magnet yang lebih besar tetap membuat senyawa bensin tidak mengalami perubahan struktur molekul, namun pada bahan bakar akan menyebabkan rantai hidrokarbon yang tadinya bergerombol akan merenggangkan ikatan dari molekul, sehingga molekul – molekul pada senyawa bensin yang tadinya sedikit memiliki ruang kebebasan dalam bergetar maka akan memperbesar atau lebih luas ruang bebas untuk molekul mengalami getaran dalam aktivitasnya. Dan ketika kondisi seperti itu diberikan spekstroskopi infra merah, maka radiasi infra merah akan mendeteksi getaran yang jauh lebih tinggi, sehingga nilai indeks serapan presentase transmittance jauh lebih tinggi. dari pengujian unjuk kerja dan emisi didapatkan analisa grafik antara lain
Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya 15 Agustus 2013 ISBN No.
A. Analisa Torsi Dengan penambahan instrumen kuat medan magnet pada aliran bahan bakar terjadi kenaikan torsi di semua variasi medan magnet, dimana semakin besar medan magnet yang digunakan semakin besar pula kenaikan torsinya. Peningkatan torsi paling besar pada kondisi magnetisasi 300 gauss. Secara rata-rata dengan pemakaian kuat medan magnet 300 gauss akan meningkatkan Torsi sebesar 6,876 % dibandingkan kondisi standart. Untuk kenaikan torsi dengan penambahan kuat medan magnet 200 ke 300 gauss akan mengalami tren yang lebih rendah dibandingkan 100 ke 200 gauss, sehingga pada saatnya didapatkan nilai batas maksimal dari kenaikan unjuk kerja yang terjadi
gauss akan mengalami tren yang lebih rendah dibandingkan 100 ke 200 gauss, sehingga pada saatnya didapatkan nilai batas maksimal dari kenaikan unjuk kerja yang terjadi C. Analisa BMEP Tekanan effektif rata-rata maksimum yang tertinggi dihasilkan pada engine yang menggunakan besar kuat medan magnet pada aliran bahan bakar yakni 300 gauss dengan tekanan efektif rata-rata maksimum sebesar 941,542 KPa pada putaran engine 3500 rpm. Tekanan efektif rata-rata maksimum terkecil dihasilkan pada kondisi standart pada putaran 3500 rpm yakni sebesar sebesar 864,843 kPa. Secara rata-rata, dengan penambahan instrumen kuat medan magnet 300 gauss pada aliran bahan bakar Premium akan meningkatkan Bmep sebesar 6.876% dibandingkan menggunakan kondisi standart.
Gambar 9. Grafik Torsi fungsi Putaran Mesin dengan variasi kuat medan magnet B. Analisa daya efektif Dengan penambahan instrumen kuat medan magnet pada aliran bahan bakar terjadi kenaikan daya di semua variasi medan magnet, dimana semakin besar medan magnet yang digunakan semakin besar pula kenaikan torsinya. Peningkatan daya paling besar pada kondisi magnetisasi 300 gauss.
Gambar 11. Grafik BMEP fungsi Putaran Mesin dengan variasi kuat medan magnet D. Analisa Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (sfc) Pada gambar menunjukkan bahwa penurunan SFC yang terendah dihasilkan pada engine yang menggunakan besar kuat medan magnet pada aliran bahan bakar yakni 300 gauss dengan SFC sebesar 0,172 (kg/kW.jam) pada putaran engine 3500 rpm. Secara rata-rata, dengan penambahan instrumen kuat medan magnet 300 gauss pada aliran bahan bakar Premium akan menurunkan SFC sebesar 11,555% dibandingkan menggunakan kondisi standart
Gambar 10. Grafik daya fungsi Putaran Mesin dengan variasi kuat medan magnet Secara rata-rata dengan pemakaian kuat medan magnet 300 gauss akan meningkatkan daya sebesar 6,676 % dibandingkan kondisi tanpa magnetisasi. Hubungan antara torsi dan daya adalah berbanding lurus, semakin besar torsi yang dihasilkan maka daya engine akan semakin besar pula. Untuk kenaikan daya dengan penambahan kuat medan magnet 200 ke 300
Gambar 12. Grafik SFC fungsi Putaran Mesin dengan variasi kuat medan magnet
Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya 15 Agustus 2013 ISBN No.
semakin tinggi medan magnet yang digunakan, semakin besar juga penurunan konsumsi bahan bakar spesifik. Hal ini dikarenakan penggunaan medan magnet pada saluran bahan bakar dapat meningkatkan kesempurnaan campuran bahan bakar, karena campuran bahan bakar yang terbakar dalam ruang bakar semakin sempurna ketika ikatan hidrokarbon lebih mudah untuk mengikat oksigen (O2). Untuk Penurunan SFC dengan penambahan kuat medan magnet 200 ke 300 gauss akan mengalami tren yang lebih rendah dibandingkan 100 ke 200 gauss, sehingga pada saatnya didapatkan nilai batas maksimal dari perbaikan unjuk kerja yang terjadi E. Analisa Effisiensi Thermis Grafik menunjukkan bahwa efisiensi optimum tertinggi didapat ketika engine Premium menggunakan instrument kuat medan magnet 300 gauss pada aliran bahan bakar sebesar 46,939%. Secara rata-rata, apabila dibandingkan menggunakan kondisi standart besarnya peningkatan efisiensi thermal sebesar 14,376 %. Hal ini dikarenakan penggunaan medan magnet pada saluran bahan bakar dapat meningkatkan kesempurnaan campuran bahan bakar, karena campuran bahan bakar yang terbakar dalam ruang bakar semakin sempurna maka akan menyebabkan kenaikan effisiensi thermal dari engine. Untuk kenaikan effisien thermis dengan penambahan kuat medan magnet 200 ke 300 gauss akan mengalami tren yang lebih rendah dibandingkan 100 ke 200 gauss, sehingga pada saatnya didapatkan nilai batas maksimal dari kenaikan unjuk kerja yang terjadi
oleh mesin. Hal ini dapat dijelaskan karena dengan penggunaan medan magnet maka bahan bakar akan menerima energi dari medan magnet sehingga bahan bakar tidak stabil (reaktif) dan berenergi lebih besar sehingga mudah terbakar.
Gambar 14. Grafik Emisi CO fungsi Putaran Mesin dengan variasi kuat medan magnet untuk emisi HC tertinggi terjadi pada saat engine kondisi standart. Sedangkan emisi terendah dihasilkan oleh engine yang menggunakan instrument kuat medan magnet 300 gauss. Secara rata-rata besarnya penurunan adalah sebesar 12,898% dibandingkan kondisi standart. dengan penambahan instrumen kuat medan magnet terhadap aliran bahan bakar dapat mengurangi kadar emisi Hidro Karbon (HC) yang dihasilkan oleh mesin.
Gambar 15. Grafik Emisi HC fungsi Putaran Mesin dengan variasi kuat medan magnet
Gambar 13. Grafik effisiensi fungsi Putaran Mesin dengan variasi kuat medan magnet F. Analisa Emisi gas buang Dari gambar grafik dapat dilihat bahwa emisi CO tertinggi terjadi pada saat engine kondisi standart. Sedangkan emisi terendah dihasilkan oleh engine yang menggunakan instrument kuat medan magnet 300 gauss. Secara rata-rata besarnya penurunan adalah sebesar 23,472% dibandingkan kondisi standart. dengan penambahan instrumen kuat medan magnet terhadap aliran bahan bakar dapat mengurangi kadar karbon monoksida (CO) yang dihasilkan
G. Analisa temperatur head silinder dan ekshaust Pada gambar grafik temperature engine (head) dengan berbagai variasi kuat medan magnet terlihat bahwa temperatur engine tertinggi terjadi pada penggunaan besar kuat medan magnet 300 gauss. Sedangkan temperatur terendah dihasilkan ketika engine menggunakan kondisi standart. Secara rata-rata, presentase kenaikan temperature yang terjadi, ketika engine menggunakan instrument besar kuat medan magnet 300 gauss adalah sebesar 4,31% dibandingkan dengan kondisi standart
Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya 15 Agustus 2013 ISBN No.
Gambar 16. Grafik T head silinder fungsi Putaran Mesin dengan variasi kuat medan magnet Secara umum, dengan penambahan besar kuat medan magnet terjadi pembakaran yang lebih sempurna. Dengan komposisi tersebut proses pembakaran diruang bakar terjadi dengan cepat, sehingga energi yang terkandung dalam bahan bakar dapat terlepas dengan lebih sempurna, dibandingkan ketika kondisi standar. Sedangkan untuk temperatur ekshaust yang terlihat, bahwa temperatur ekshaust naik sebanding dengan naiknya putaran engine. Dengan naiknya putaran engine maka jumlah bahan bakar yang masuk ke ruang bakar semakin banyak, sehingga panas pembakaran yang timbul di ruang bakar menjadi semakin besar, sehingga temperatur knalpot juga naik. Temperatur knalpot mengindikasikan kerugian-kerugian yang terjadi pada ruang bakar.
Gambar 17. Grafik T ekshaust fungsi Putaran Mesin dengan variasi kuat medan magnet 5. Kesimpulan Beberapa kesimpulan yang bisa diambil dari penelitian ini adalah: 1. Dari pengujian FTIR bahwa Kenaikan paling besar untuk intensitas transmitansi (penyerapan radiasi infra merah) Pada panjang gelombang 2871,81, 2925,81 dan 2958,6 cm-1 terjadi ketika sampel bensin dimagnetisasi 300 gauss secara ratarata terjadi kenaikan prosentase intensitas sebesar 60,91 % dibandingkan kondisi standart . 2. Dengan penggunaan efek kuat medan magnet pada aliran bahan bakar terjadi perbaikan unjuk kerja dan emisi gas
3.
4.
5.
buang, untuk kondisi peningkatan unjuk kerja terbaik yakni dengan pemakaian kuat medan magnet 300 gauss antara lain terjadi kenaikan torsi, daya dan Bmep masing masing sebesar 6,876%, 6,676%, 6,876%. Untuk Sfc mengalami penurunan sebesar 11,555% sehingga terjadi kenaikan effisiensi thermis sebesar 14,376%. Untuk emisi HC dan CO masing – masing mengalami penurunan sebesar 12,898% dan 23,472 % dibandingkan kondisi satandart (tanpa magnet). Untuk perbaikan unjuk kerja torsi, daya, BMEP, SFC dan effisiensi thermal dengan penambahan kuat medan magnet 200 ke 300 gauss akan mengalami tren yang lebih rendah dibandingkan 100 ke 200 gauss, sehingga pada saatnya didapatkan nilai batas maksimal dari perbaikan dari unjuk kerja Temperatur mesin (head silinder) pada pemakaian variasi kuat medan magnet mengalami kenaikan dibandingkan kondisi standart berturut-turut pada variasi 100, 200 dan 300 gauss sebesar 1,49%, 3,15%, dan 4,31%. Temperatur ekshaust pada pemakaian variasi kuat medan magnet mengalami penurunan dibandingkan kondisi standart berturut-turut pada variasi 100, 200 dan 300 gauss sebesar 3,72%, 5,88%, dan 8,44%
6. Pustaka 1. http://www.republika.co.id/berita/nasio nal/umum/12/06/06/m56u4g-2032cadangan-minyak-indonesia-habis. 2. Chalid, M, saksono, N, Adiwar & Darsono, N. (2005). Studi pengaruh magnetisasi dipol terhadap karakterisitik kerosin, Makara Teknologi, Vol.8 no1. 3. http://io.ppi-jepang.orgEmail:
[email protected] 4. Muzakir, ahmad. Metode Spektroskopi Inframerah Untuk Analisis Material. UPI, Bandung 5. Fernandez, benny R. (2011). Spekstroskopi infra merah (FT-IR) DAN sinar tampak (UV-Vis), progam studi kimia, pasca sarjana universitas andalas, Padang
