KARAKTERISTIK MESIN OTTO SATU SILINDER EMPAT LANGKAH BERKAPASITAS 65 CC MELALUI PENGUJIAN DAYA DAN TORSI Roni Abdurahman 10067060441) 1)
Mahasiswa S-1, Departemen Teknik Mesin. Fakultas Teknik. Universitas Indonesia, Depok 16424 Email :
[email protected]
ABSTRAK Berkembangnya teknologi serta gencarnya kompetisi hemat bahan bakar membuat banyaknya tim dari berbagai universitas untuk berlomba-lomba menciptakan mesin yang hemat bahan bakar. Mesin hemat bahan bakar tentunya memiliki dimensi yang ringkas dan dengan kapasitas yang kecil, namun dengan rekayasa teknik tetap mampu menghasilkan daya yang besar sesuai dengan kebutuhan. UI pun ikut berpartisipasi dalam pengembang mesin hemat bahan bakar ini. Riset dan pengembangan telah dilakukan sehingga terciptalah mesin otto dengan satu silinder empat langkah berkapasitas 65 cc. Kajian teoritis telah dilakukan dalam pengembangan mesin ini dengan menggunakan rumus-rumus empiris pada perhitungan termodinamika. Kajian teoritis tersebut perlu dilakukan pembuktian dan pengujian agar terbukti kebenarannya. Tulisan ini akan mempresentasikan mengenai hasil karakteristik dari mesin otto satu silinder empat langkah berkapasitas 65 cc melalui pengujian dengan aspek utama adalah daya dan torsi. Pengukuran emisi gas buang dan konsumsi bahan bakar juga dilakukan untuk mendapatkan karakteristik serta kelayakan mesin. Dari pengujian didapatkan daya maksimum sebesar 733 watt pada 2630 rpm, serta torsi maksimum sebesar 2,66 Nm pada putaran. Sedangkan ratarata emisi yang dihasilkan pada kondisi idle yaitu kadar HC sebesar 777,1 ppm, kadar CO sebesar 0,698 % vol, kadar CO2 sebesar 8,43 % vol, dan kadar O2 sebesar 7,96 % vol.
ABSTRACT The advancement of technology and low fuel consumption engine competition triggers numerous teams from various universities around the world to create low fuel consumption engine. Low fuel consumption engine has a compact dimension and small capacity, yet because of the sophisticated development, it still provides huge power as needed. Universitas Indonesia also participates in developing low fuel consumption engine. Through proper and intense research and development, a 65 cc one-cylinder four-stroke spark ignition engine was created. Theoritical overview has been done within the development of this engine using empirical formula based on thermodynamics. Theoritical overview needs to get done in order to prove and test the thermodynamics calculation. This study represents characteristic results of the engine through power and torque testing. Measurement of emission and fuel consumption has also been done to acquire characteristic and feasibility of the engine itself. Low fuel consumption engine should have low emission rate. From the result that given from the dyno test shows that the engine can generate maximum power of 733 watt at 2630 rpm and maximum torque 2,66 Nm at 2630 rpm. From the emission test the engine give a result of 777,1 ppm HC content, 0,698 % vol CO content, 8,43 % vol CO2 content, and 7,96 % vol O2 content.
Keywords : Spark Ignition Engine, Low-Fuel Consumption Engine, Power and Torque, Testing
1. Pendahuluan 1.1. Latar Belakang Semakin menipisnya cadangan minyak bumi menyebabkan tersadarnya manusia untuk melakukan penghematan dalam menggunakan bahan bakar fosil. Tidak dapat dipungkiri lagi bahwa penggunaan bahan bakar fosil kini paling banyak digunakan pada internal combustion engine yang tak lain digunakan oleh manusia pada kendaraan untuk kegiatan mobilitasnya.
Tersadarnya manusia untuk menghemat penggunaan bahan bakar fosil sudah diwujudkan dalam berbagai cara, salah satunya adalah ajang kompetisi kendaraan hemat bahan bakar yang diselenggarakan kepada caloncalon insinyur muda untuk berinovasi dalam menciptakan kendaraan hemat bahan bakar Salah satu cara untuk mewujudkan kendaraan hemat bahan bakar adalah dengan memiliki mesin yang efisien dan sesuai. Faktor yang diperhitungkan dalam mendapatken mesin yang efisien antara lain dengan memperhitungkan bobot dari kendaraan dan karakteristik
_______________________________________________________________________________
[email protected]
Karakteristik Mesin..., Roni Abdurahman,FT UI, 2014
kendaraan untuk menyesuaikan dengan beban kerja mesin. Dalam mewujudkan hal tersebut umumnya kontestan menggunakan mesin dari kendaraan beroda 2 yang memiliki kapasitas kecil dan nantinya mesin tersebut dilakukan modifikasi untuk menyesuaikan kebutuhan. Ada juga kontestan lain yang membuat langsung mesin sendiri yang dirancang cocok dengan kendaraannya. UI sendiri telah memiliki mesin yang dibuat sendiri untuk kebutuhan khusus, yaitu kompetisi kendaraan hemat bahan bakar. Mesin yang dikategorikan sebagai (LFCF) Low Fuel Consumption Engine merupakan mesin 1 silinder berkonfigurasi 4 langkah dengan kapasitas 65cc. Mesin ini dilengkapi dengan teknologi (DOHC) Double Over Head Camshaft, Dual Ignition dan High Compression Ratio untuk mendapatkan efisiensi tinggi dan power-to-weight ratio yang tepat. Mesin tersebut telah berhasil dirancang dan dibuat dengan menggunakan rumus-rumus empiris melalui pendekatan termodinamika. namun belum dilakukan pengujian mendalam untuk mengetahui performa mesin tersebut. Pada tulisan ini akan dibahas mengenai pengujian mesin 65 cc dengan aspek utama adalah pengukuran daya dan torsi. Hasil pengujian ini diharapkan akan menghasilkan karakteristik dari mesin 65 cc untuk kebutuhan ajang kompetisi hemat bahan bakar. Hasil dari pengujian juga nantinya akan dianalisa mengenai kelemahan yang ada dan juga kemungkinan pengembangan lebih lanjut dalam meningkatkan efiensi mesin tersebut. 1.2. Tujuan Penelitian
1. 2. 3. 4.
2. Metode Penelitian 2.1. Rancangan Penelitian Penelitian ini dilakukan dengan melakukan pengujian data primer berupa daya dan torsi pada mesin satu silinder 65 cc. Data sekunder yang dicari juga adalah data specific fuel consumption dan juga data dari gas analyzer. Pengujian tersebut dilkukan untuk mengerti karakteristik dari mesin berdasarkan data yang dihasilkan yang nantinya akan dibandingkan dengan perhitungan teoritis yang telah dibuat oleh tim riset terdahulu 2.2. Pengujian Daya dan Torsi Pengujian daya dan torsi dilakukan untuk mengetahui karakteristik dari sebuah mesin dalam kegunannya untuk kompetisi hamat bahan bakar. Kajian teori yang telah dilakukan oleh tim riset sebelumya menghitung daya yang dihasilkan sebesar 2,97kW pada putaran 5000rpm. Pada pengujian ini digunakan alat pengukur daya berupa Dinamometer DC buatan dari Cussons Technology dengan spesifikasi sebagai berikut: •
Pembuat
:Cussons Technology
•
Tahun Pembuatan
: 1997
•
Jenis
: Dinamometer DC
•
Maksimum Output
: 30 kW
•
Maksimum RPM
: 4000 rpm
Tujuan dari penelitian ini adalah: Menganalisis mesin yang dirancang untuk dapat digunakan pada kompetisi hemat energi berdasarkan teori motor pembakaran dalam, Menganalisis daya dan torsi aktual yang dihasilkan , Menghitung parameter-parameter mesin berdasarkan siklus termodinamika, Menunjukkan bahwa mesin hasil rancangan, berdasarkan perhitungan motor pembakaran dalam dapat digunakan pada kompetisi hemat energi yang diikuti.
1.3. Batasan Masalah Mengingat begitu luasnya cakupan yang berkaitan pengujian motor bakar, maka hal-hal yang akan dibahas pada tulisan ini terbatas pada: a. Pengujian daya dan torsi mesin untuk melihat karakteristik mesin b. Pengujian emisi seagai faktor dalam melakukan optimasi mesin c. Pengujian konsumsi bahan bakar untuk menghitung specific fuel consumption
Gambar 1. Dinamometer DC Cussons Technology Karena pengujian daya dan torsi merupakan variabel yang krusial dalam mengetahui karakteristik mesin, maka dalam pengujian haruslah memenuhi beberapa tahap pengujian secara seksama: Tahapan dalam pengujian daya dan torsi adalah sebagai berikut 1. Meletakkan mesin 65 cc pada test bed dan diikat dengan kuat
Karakteristik Mesin..., Roni Abdurahman,FT UI, 2014
2. 3. 4. 5.
Menyambungkan shaft dari mesin dengan shaft dinamometer menggunakan puli dengan rasio 1 : 2,053 Melakukan kalibrasi data dan penginputan kondisi mesin. Menentukan berapa banyak data logging per satuan waktu yang diperlukan, kemudian diatur dalam mode auto logging. Menentukan beban maksimum di tiap putaran
2.3. Pengujian Emisi Gas Buang Pengujian emisi gas buang dilakukan untuk mengetahui kadar polutan yang terjadi pada pembakaran. Polutan yang dianalisis antara lain CO2, O2, CO, HC dan Lambda. Pengujian emisi gas buang dilakukan dengan menggunakan gas analyzer dengan jenis pengujian pada kondisi idle Gas analyzer yang digunakan adalah Technomotor 810 dengan spesifikasi: • Dimensions
: 23 x 34 x 22.5 cm
• Power supply
: 220/110V - 50/60
Hz 30 W • Operating temperature
: 5 – 40 ° C
• Storage temperature : -20 – 60 ° C • Pressure
: 850 hPa – 1025 hPa
• Humidity
: 0% RH – 95 % RH
• Warm-up time
: 3 min.Reset: Electronic and
Gambar 2. Gas Analyzer Technomotor 810 Pengujian emisi gas buang pada kondisi idle mengacu pada standar pengujian yang ditetapkan melalui “Keputusan Menteri negara Lingkungan Hidup Nomor 05 Tahun 2006 Tentang Ambang Batas Emisi Gas Buang Kendaraan Lama”. Kepmen tersebut memuat mengenai prosedur pelaksanaan uji emisi serta ambang batas kadar emisi yang diperbolehkan mengacu kepada SNI 19-7118. 3-2005 tentang “Emisi gas buang-Sumber bergerak. Cara uji kendaraan bermotor kategori L pada kondisi idle”. Kendaraan tipe L disini dimaksudkan kepada kendaraan beroda dua baik dua langkah ataupun empat langkah. Standar emisi yang ditetapkan pada Kepmen tersebut adalah : Tabel 1. Regulasi Emisi Gas Buang Kendaraan Kategori L
automatic by means of solenoid valve • Oil temp.
: 0 –150°C Res.1° C
• CO range
: 0 – 10% Vol Res. 0.01%
Vol
2.4.
• CO2 range
: 0 – 20% Vol Res. 0.1% Vol
• HC range
: 0 – 20000ppm Vol Res. 1
ppm Vol • O2 range
: 0 – 21% Vol Res. 0.01%
Vol •
LAMBDA factor
: 0 – 2 Res. 0.001
•
NOx range
: 0 – 5000ppm
Vol(optional) Res. 1 ppm Vol •
Duration of battery
•
Internal Bluetooth range : 300 m in free space
•
Weight
: less than 15 Kg
•
Metrology standards
: OIML Class 0,
MID 2004/22/EC
: above 4 hours
Tahapan Pengujian Emisi Idle Sesuai dengan “Keputusan Menteri negara Lingkungan Hidup Nomor 05 Tahun 2006 Tentang Ambang Batas Emisi Gas Buang Kendaraan Lama” prosedur pengujian emisi pada kendaraan tipe L (sepeda motor) adalah 2.4.1 Persiapan Mesin Uji 1. Mesin yang akan diukur harus pada posisi datar. 2. Pipa gas buang (knalpot) tidak bocor. 3. Temperatur mesin normal (60oC sampai dengan 70oC). 4. Kondisi temperature tempat kerja pada 20oC sampai dengan 35oC. 2.4.2 Persiapan Peralatan 1. Pastikan bahwa alat dalam kondisi telah terkalibrasi. 2. Hidupkan sesuai prosedur pengoperasian (sesuai dengan rekomendasi manufaktur alat uji)
Karakteristik Mesin..., Roni Abdurahman,FT UI, 2014
Untuk merubah putaran dinamometer menjadi putaran mesin aktual, maka dihitung dengan menggunakan rasio perbandingan diameter puli, yaitu sebesar 1:2,053. Torsi yang ditampilkan adalah torsi yang terbaca pada dinamometer. Penggunaan transmisi puli dengan belt jenis cogged menghasilkan losses pada puli Berdasarkan Tabel Efisiensi Transmisi yang tercantum pada SNI 7552:2010 maka efisiensi transmisi yang dihasilkan oleh cogged belt adalah sebesar 95%, sehingga torsi mesin dapat dihitung secara aktual dapat dilihat pada tabel 3
2.4.3. Pencacatan dan Pengukuran 1. Persiapkan kendaraan uji sesuai langkah pada 2.4.1 2. Siapkan alat uji sesuai langkah 2.4.2. 3. Naikkan (akselerasi) putaran mesin hingga mencapai 1.900 rpm sampai dengan 2.100rpm kemudian tahan selama 60 detik dan selanjutnya di kembalikan pada kondisi idle 4. Selanjutnya lakukan pengukuran pada kondisi idle dengan putaran mesin 800 rpm sampai dengan 1400 rpm 5. Masukkan probe alat uji ke pipa gas buang sedalam 30 cm 6. Tunggu 20 detik dan lakukan pengambilan data konsentrasi CO dalam satuan persen (%) dan HC dalam satuan ppm yang terukur pada alat uji
Tabel 3. Torsi pada Mesin Putaran Mesin (rpm)
3. Hasil dan Analisis 3.1. Hasil Pengukuran Daya dan Torsi Pengukuran daya dan torsi yang dilakukan dengan keterbatasan dikarenakan masalah yang dialami mesin disaat melakukan dynotest. Mesin mengalami kendala dalam menciptakan putaran mesin idle dan mesin juga tidak dapat dinaikkan putaran mesinnya hingga mencapat putaran maksimumnya di kisaran 5000 rpm. Kendala tersebut dialami saat prosedur dynotest dilakukan sehingga dynotest yang dihasilkan tidak dapat maksimal. Dynotest dilakukan dengan cara mengkopel mesin ke dinamometer dengan menggunakan puli. Data yang didapatkan adalah Torsi dalam satuan Nm, serta putaran pada dynamometer dalam satuan rpm. Putaran mesin dapat dihitung dengan menggunakan perbandingan rasio puli yaitu 1 : 2,053. Data logging kemudian dilakukan dengan frekuensi 2 Hz untuk mendapatkan logging data sebanyak dua kali setiap detik untuk mendapatkan hasil yang presisi agar setiap perubahan yang terjadi dapat diamati.
No
Tabel 2. Hasil Pengujian Dinamometer
Putaran Dinamometer (rpm)
Torsi Mesin Aktual (Nm)
1474
1.09
1910
1.20
2162
2.12
2296
2.34
2468
2.52
2630
2.66
3.2. Hasil Pengujian Emisi Kondisi Idle HC (ppm)
CO (%)
CO2 (%)
O2 (%)
1
671
0.24
5.9
11.74
1.869
2
837
0.53
9.5
6.75
1.37
3
799
0.31
8.7
7.88
1.506
4
795
1.33
8.4
7.85
1.422
5
672
1.02
6.1
10.82
1.873
6
633
0.58
6.6
10.53
1.872
7
743
1.35
10
5.43
1.226
8
861
0.43
8.5
7.75
1.489
9
888
0.5
10.1
5.81
1.29
10 Rata-‐ rata Std dev
872
0.69
10.5
5.09
1.227
777.1
0.698
8.43
7.965
1.5144
92.47
0.4
1.69
2.35
0.26
Torsi pada Dinamometer (Nm)
737
1.04
955
1.14
1081
2.01
1148
2.22
1234
2.39
1315
2.53
Lambda
Tabel 4. Hasil Pengujian Emisi Kondisi Idle 3.3. Analisis Daya dan Torsi Dari hasil yang didapatkan, torsi maksimum yang berhasil di dapatkan adalah 2,66Nm pada putaran
Karakteristik Mesin..., Roni Abdurahman,FT UI, 2014
mesin 2630 rpm. Dengan menggunakan persamaan (2.2) maka didapatkan daya pada tiap-tiap putaran mesin ! !"## =
! !" . !" . !"#!"#$%!& !"##$ (!"#) !"
Tabel 5. Daya Mesin
Putaran Mesin (rpm)
Daya (watt)
1474
169
1910
240
2162
479
2296
562
2468
650
2630
733
800 600 400 200 2000
Daya (wa>)
!
. !"#$"% !"#$% (!") !"# ! !"! !""( ) = ! ℎ !"#$ !"#$%&%$ !"#$%&' ( ) !"!
Dari LFF pada pengujian daya maksimum di 2360 rpm, yaitu sebsar 0,108ltr/h dan dengan specific gravity bensin sebesar 0,73g/cm3 maka didapatkan specific fuel consumption sebesar 0,108 g/kWh
Torsi vs Putaran Daya vs Putaran
0 4000
Putaran mesin (rpm)
Dari pengukuran yang dilakukan didapatkan rata-rata kadar HC sebesar 777,1 ppm, kadar CO sebesar 0,698 % vol, kadar CO2 sebesar 8,43 % vol, dan kadar O2 sebesar 7,96 % vol. Data tersebut digunakan untuk membandingkan kadar emisi dengan ambang batas emisi sesuai dengan ”Keputusan Menteri negara Lingkungan Hidup Nomor 05 Tahun 2006 Tentang Ambang Batas Emisi Gas Buang Kendaraan Lama”. Pembandingan kadar emisi tersebut untuk membuktikan bahwa mesin mesin 65 cc ini bukan hanya dirancang untuk irit, tetapi juga ramah lingkungan dengan kadar polutan rendah. Perbandingan antara rata-rata kadar emisiHC dan CO yang dihasilkan mesin dengan batasan ambang batas tahun 2006 menunjukkan bahwa mesin 65 cc ini mampu menjaga kadar emisinya di bawah ambang batas, yang menjadikan mesin ini tetap ramah lingkungan. Perbandingan antara kadar emisi mesin dengan ambang batas ditunjukkan pada table dan grafik di bawah ini. Tabel.6 Perbandingan Kadar Emisi
Gambar 3. Kurva Daya dan Torsi Mesin Daya dan torsi yang dihasilkan belum merupakan daya dan torsi maksimum dari mesin satu silinder empat langkah berkapasitas 65 cc, dikarenakan masalah yang terjadi saat terjadi pengujian maka besaran daya dan torsi maksimum mesin 65 cc ini masih belum bisa didapatkan. Namun dari kurva daya dan torsi menunjukkan bahwa mesin 65 cc ini memiliki peningkatan daya dan torsi yang cukup signifikan pada putaran mesin setelah 2000 rpm.
Perbandingan HC (ppm) Terhadap Ambang Batas 2500
Variable HC (ppm) HC ambang batas (ppm)
2000
3.4. Mean Effective Pressure Mean Effective Pressure (MEP) didapat dengan membagi kerja mesin pada tiap-tiap volume silinder pada tiap satu siklus kerja mesin. Besaran nilai MEP didapat melalui persamaan: !
! !" . n! . 10 !"# (!"#) = !! !"! . !(!"#/!)
Data
Torsi (Nm)
Kurva Daya dan Torsi Mesin 65cc
0
3.5. Specific Fuel Consumption Dari dynotest didapatkan juga liquid fuel flow, yaitu debit bahan bakar yang mengalir untuk dilakukan pembakaran. Dari liquid fuel flow ini maka bisa didapatkan specific fuel consumption melalui persamaan:
3.6. Analisis Emisi Gas Buang Kondisi Idle
Dari data yang hasilkan,daya maksimum yang dapat dihasilkan terjadi pada putaran 2360 rpm sebesar 733 watt, yang apabila di konversikan menjadi HP adalah sebesar 0.98 HP. Dari data yang didapatkan maka dapat dibuat kurva antara torsi dan daya pada tiap-tiap putaran mesin.
3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
Dari persamaan tersebut didapatkan nilai MEP pada daya maksimum sebesar 514,92kPa.
1500
1000
500 1
2
3
4
5 6 Data
7
8
9
10
Gambar 4. Perbandingan HC (ppm) dengan ambang batas
Karakteristik Mesin..., Roni Abdurahman,FT UI, 2014
Faizal, Fikry Rachman, “KAJIAN TEORITIS DAN OPTIMASI DALAM PENGEMBANGAN MESIN OTTO SATU SILINDER EMPAT LANGKAH BERKAPASITAS 65 CC”. Skripsi, ProgramSarjana Fakultas Teknik UI, Depok 2012/2013. Yoshia, Fajardo,” Analisa Pengaruh Perubahan Tinggi Bukaan Katup Terhadap Kinerja Motor Bakar Otto”. Skripsi, Program Sarjana Fakultas Teknik UI. Depok 2011/2012 Schafer, Fred, Richard Van Basshuysen, “Reduced
Perbandingan CO (%) Terhadap Ambang Batas 6
Variable CO (%) CO ambang batas (%)
Kadar CO (%)
5 4 3 2 1
Emissions and Fuel Consumption in Automobile
0 1
2
3
4
5 6 Pengujian
7
8
9
10
Gambar 5. Perbandingan CO (%) dengan ambang batas
4. Kesimpulan Dari rangkaian penelitian yang telah dilakukan, maka dapat ditrik kesimpulan sebagai berikut: 1. Mesin satu silinder empat langkah berkapasitas 65 cc memiliki karakteristik torsi rendah di putaran rendah, hal ini terlihat dari torsi mesin yang telah mencapat 2,87 Nm pada putaran 2125 rpm . Meskipun dikarenakan data yang terbatas masih belum mampu menggambarkan karakteristik dari daya dari mesin, namun torsi yang dihasilkan pada satu titik mampu menggambarkan torsi yang cukup besar di putaran rendah untuk mesin berkapasitas 65 cc 2. Hasil pengukuran emisi pada kondisi idle, mesin 65 cc memiliki kadar rata-rata HC sebesar 776,5 ppm, kadar CO sebesar 0,78 % vol, kadar CO2 sebesar 8,48 % vol, dan kadar O2 sebesar 7,82 % vol. 3. Dengan mengacu kepada ”Keputusan Menteri negara Lingkungan Hidup Nomor 05 Tahun 2006 Tentang Ambang Batas Emisi Gas Buang Kendaraan Lama” maka mesin 65 cc memiliki kadar rata-rata emisi HC (776,5 ppm) dan CO (0,78%) yang lebih rendah dari ambang batas HC (2400ppm) dan ambang batas CO (5,5%).
Engines”, Springer-Verlag/Wien, Vienna, 1993 Peraturan Menteri Lingkungan Hidup Nomor 05 Tahun 2006 Tentang Ambang Batas Emisi Gas buang Kendaraan Bermotor Lama, ditetapkan untuk kategori L SNI 7552:2010 “Pengukuran unjuk kerja motor bakar bensin kendaraan bermotor kategori L” http://www.interempresas.net/Measure/CompaniesProducts/Product-Analysers-of-gases-TecnomotorGas810-114648.html, diakses pada 10 Mei 2014 http://www.shell.com.au/products-services/on-theroad/fuels/msds-tds/retail-fuelsmsdspds.html#textwithimage_2, diakses pada 2 Juni 2014 www.hondapower.fi/content/.../Asennus%20Honda%2 0Moottorit.pdf, diakses pada 15 Juni 2014
Referensi Sugiarto,Bambang. (2005). Motor Pembakaran Dalam. Jakarta: Universitas Indonesia. Heywood, John B., “Internal Combustion Engine Fundamentals”, McGraw Hill Int. Ed., New York, 1988. M. Khovakh, “Motor Vehicle Engines”, MIR Publishers, Moscow, 1979. Petrovsky, Nikandr A., “Marine Internal Combustion Engines”, MIR Publishers, Moscow, 1973. Pulkrabek, Willard W., “Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine”, Prentice Hall, New Jersey, 2003.
Karakteristik Mesin..., Roni Abdurahman,FT UI, 2014
