TUGAS AKHIR STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH PENAMBAHAN COOLANT PADA RADIATOR TERHADAP UNJUK KERJA DAN EMISI GAS BUANG MESIN SINJAI BERBAHAN BAKAR BI-FUEL ( PREMIUM - COMPRESSED NATURAL GAS (CNG) ) OLEH : DADANG HIDAYAT ( 2112 105 027 ) DOSEN PEMBIMBING :
Dr. Bambang Sudarmanta, ST., MT. JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2014
LATAR BELAKANG
Keunggulan CNG : Bersifat Ringan Nilai oktan lebih tinggi Tidak bersifat Korosif Ramah Lingkungan
LATAR BELAKANG
LATAR BELAKANG Perbandingan Properties Gasoline dengan Compressed Natural Gas (CNG) PROPERTIES
GASOLINE
CNG
80-90
110-120
Density (kg/m3)
749
0.772
Heat of vaporization (kJ/kg)
305
509
Stoichiometric AFR
14.6
17
Lower heating value (MJ/kg)
44
47,669
Higher heating value (MJ/kg)
47.3
55.5
Laminar burning velocity (m/s)
0.5
0.43
480-550
650
Molar mass
110
18.76
Lower heating value of stoic. mixture (MJ/kg)
2.83
2.72
Stoichiometric mixture density (kg/m3)
1.38
1.24
Angka Oktan (RON)
Titik Nyala ( oC )
Sumber: 1). Atok Setyawan: 2012 dalam BIMTEK BBG-DIRJEN MIGAS. 2). Proyek transportasi kota yang berkelanjutan : 2000.
PERUMUSAN MASALAH Bagaimana karakteristik dari coolant sebagai cairan pengisi radiator
variasi penambahan coolant pada radiator dengan komposisi tertentu
Unjuk Kerja Emisi
BATASAN MASALAH Radiator yang digunakan adalah radiator dari mesin Sinjay dengan model LJ276MT-2 yang terletak di Laboratorium Teknik Pembakaran dan Bahan Bakar Teknik Mesin ITS
Percobaan menggunakan mesin bensin dua silinder empat langkah yang telah dimodifikasi pada bagian saluran isap untuk mensuplai CNG.
Kondisi mesin bensin dalam keadaan standar.
Tidak membahas mengenai pembuatan CNG serta reaksi kimia yang terjadi.
Analisa fouling tidak diikut sertakan
Tidak ada kebocoran dalam sistem
Bensin yang digunakan adalah bensin standar yang beredar dipasaran (hasil produksi PT.Pertamina)
Kondisi peralatan yang digunakan saat pengambilan data diasumsikan terkalibrasi.
TUJUAN PENELITIAN Mengetahui karakteristik dari coolant dan kemampuannya dalam mendinginkan mesin
Mengetahui perubahan kondisi operasional pada mesin berbahan bakar bi fuel dengan variasi penambahan coolant dengan komposisi tertentu. Mengetahui performansi dan emisi gas buang dari mesin bensin berbahan bakar CNG dengan variasi penambahan coolant pada radiator
MANFAAT PENELITIAN Menambah pengetahuan tentang sistem pendinginan mesin
Diharapkan dapat menambah wawasan dan pengetahuan mahasiswa secara umum dan penulis khususnya mengenai variasi penambahan radiator coolant terhadap performansi dan emisi dari mesin bensin berbahan bakar CNG
Diharapkan dapat dipakai sebagai acuan dan referensi untuk pengembangan penelitian selanjutnya.
TINJAUAN PUSTAKA KOMPOSISI KIMIA CNG Komposisi kimia Methana (CH4) Ethana (C2H6) Propane (C3H8) Iso-Butane (i-C4H10) N- Butane (n-C4H10) Iso-Pentane (i-C5H12) N-Pentane (n-C5H12) Nitrogen (N2) Car. Diodxida (C02) Hexane C6+(C6H14) Oxygen Carbon monoxide Total
Prosentase (%) 98,7583 0,3816 0,1527 0,0445 0,0275 0,0151 0,0081 0,4 0,1723 0,0399 100
Sumber : PT. Pgas solution , Wilayah Surabaya
PENELITIAN TERDAHULU Waleed Nessim dan Fujun Zhang ( 2012 ) Powertrain Warm-up Improvement using Thermal Management Systems
mapping panas yang dilepaskan dari mesin menuju sistem pendingin yang menggunakan fluida air. Kesimpulan yang diperoleh dari hasil mapping adalah bahwa panas yang dibuang ke coolant semakin naik dengan meningkatnya putaran mesin Tidak terdapat perbedaan yang terlalu jauh antara eksperimen dan simulasi.
PENELITIAN TERDAHULU Torsi (Kg.m)
Grafik Hubungan Campuran Water Coolant terhadap Torsi rata-rata
Gatot Soebiyakto (2011) Pengaruh penggunaan water coolant terhadap performance mesin diesel
2.4 2.2 2
Torsi 0
0.5
1
1.5
2
2.5
Campuran Water Coolant (Liter)
Tekanan (Kg/cm²)
Grafik Hubungan Campuran Water Coolant terhadap tekanan Indikator dan Efektif ratarata 2 1.5
Pi
1 0
0.5
1
1.5
2
2.5
Pe
Campuran Water Coolant (Liter)
Daya ( HP )
Grafik Hubungan Campuran Water Coolant Terhadap Daya Indikator dan Efektif rata-rata 8 7 6
Ni
5 0
0.5
1
1.5
2
Campuran Water Coolant (Liter)
2.5
Ne
Kesimpulan: Penggunaan water coolant pada mesin diesel tidak mempengaruhi nilai torsi. Torsi yang didapat adalah sama baik tanpa campuran water coolant atau pun dengan campuran water coolant. Penambahan water coolant berpengaruh terhadap daya mesin,semakin banyak campuran water coolant semakin menurun juga daya yang diperoleh,hal ini disebabkan dengan campuran water coolant mesin bekerja lebih extra dari pada tanpa water coolant. Tidak terdapat pengaruh yang besar terhadap tekanan efektif rata-rata yang disebabkan oleh campuran water coolant
PENELITIAN TERDAHULU A Technical Review of Compressed Natural Gas as an Alternative Fuel for Internal Combustion Engines Semin dan Abu Bakar Rosli (2008)
Hasil Penelitian : CNG adalah satu-satunya bahan bakar yang lebih murah daripada bensin atau solar CNG memiliki inheren rendah emisi sehingga mengurangi efek rumah kaca
METODOLOGI PENELITIAN EKSPERIMENTAL
Mesin Sinjai 2 Silinder 650 cc dimodifikasi menjadi bi-fuel Dilakukan penambahan coolant pada radiator dengan variasi komposisi tertentu
Hasil : Torsi Emisi : CO, CO2, HC Temperatur : Mesin, Oli, Exhaust, Temperatur air masuk dan keluar radiator
Pengujian : Unjuk kerja dengan Waterbrake Dynamometer Emisi gas buang dengan Exhaust Gas Analyzer Temperatur dengan Thermocouple
TAHAPAN PENELITIAN 1. Mesin Sinjai 2 Silinder 650 cc dimodifikasi menjadi bi-fuel
Injektor CNG Multi Point
Tabung CNG
MAP CNG
Filter CNG
Filling Valve
Pressure Reducer
Solenoid Valve
TAHAPAN PENELITIAN 2. Setting Alat Ukur
TAHAPAN PENELITIAN 3. Melakukan Variasi penambahan coolant pada radiator dengan komposisi tertentu
Variasi komposisi cairan pengisi radiator yaitu dengan persentase volume total : 0% coolant & 100% air. 25% coolant & 75% air 50% coolant & 50% air, 75% coolant & 25% air,
PERALATAN PENGUJIAN 1. Mesin Uji Spesifikasi mesin uji Model
Sinjai
Jumlah Silinder
2 Silinder
Type
Inline
Pendinginan mesin
Radiator
Diameter x langkah
76 x 71mm
Rasio Kompresi
9.0 : 1
Daya maksimum
18kW pada putaran 4500 rpm
Torsi Maksimum
49N.m pada putaran 2700-3300 rpm
Kecepatan idle
900 + 50 rpm
Volume Langkah
0.322 liter per silinder
Arah Putaran
Counter Clockwise
PERALATAN PENGUJIAN 2.Radiator No
Data
Nilai
1
Volume radiator
PxLxT = 440mm x42 mmx255mm
2
Diameter tube
6 mm
3
Panjang tube
255 mm
4
Jumlah baris tube
2
5
Jumlah tube tiap baris
22
6
Jarak antar tube
17 mm
7
Jumlah tube arah transfersal
2
8
Jumlah tube longitudinal
90
Tebal fin
0.3 mm
10
Jumlah fin
159
11
Panjang fin
440 mm
12
Lebar fin
16 mm
13
Jarak antar fin
2 mm
arah 22
PERALATAN PENGUJIAN 3. Pertamina Coolant
ALAT UJI Waterbrake Dynamometer
Digital Thermometer
Exhaust Gas Analyzer
Mengukur : Torsi
Mengukur : T. Mesin T. Oli T. Exhaust T. Air masuk dan keluar Radiator
Mengukur : Emisi Gas Buang CO, CO2, dan HC
ALAT UJI Pitot Static Tube
Tabung Konsumsi Bahan Bakar
Stop Watch
SKEMA PENGUJIAN
HASIL PENELITIAN Grafik Temperatur Engine fungsi Putaran Mesin Grafik Temperatur Engine terhadap Putaran Mesin 110
Temperatur Engine (ºC)
100
Bensin 100 % 90
0 % Coolant 25 % Coolant 50 % Coolant
80
75 % Coolant
70 1500
2000
2500
3000
3500
Putaran Mesin (rpm)
4000
4500
5000
HASIL PENELITIAN Grafik Torsi fungsi Putaran Mesin
Grafik Torsi terhadap Putaran Mesin 55
Data Standar Bensin Bensin 100% 45
Torsi (Nm)
0 % Coolant 25 % Coolant 50 % Coolant
35
75 % Coolant
25 1500
2000
2500
3000
3500
Putaran Mesin (rpm)
4000
4500
5000
HASIL PENELITIAN Grafik Daya fungsi Putaran Mesin
Grafik Daya terhadap Putaran Mesin 21 Data Standar Bensin Bensin 100%
17
Daya (kw)
0 % Coolant 25 % Coolant
13
50 % Coolant 75 % Coolant
9
5 1500
2000
2500
3000
3500
Putaran Mesin (rpm)
4000
4500
5000
HASIL PENELITIAN Grafik Konsumsi Bahan Bakar Spesifik fungsi Putaran Mesin Grafik SFC terhadap Putaran Mesin 0.35
0.3
SFC
Data Standar Bensin Bensin 100%
0.25
0 % Coolant 25 % coolant 50 % Coolant
0.2
75 % Coolant
0.15 1500
2000
2500
3000
3500
Putaran Mesin (rpm)
4000
4500
5000
HASIL PENELITIAN Grafik Tekanan Efektif Rata-rata fungsi Putaran Mesin
Grafik BMEP terhadap Putaran Mesin 950
BMEP (KPa)
850 Bensin 100 % 0 % Coolant
750
25 % Coolant 50 % Coolant 75 % Coolant
650
550 1500
2000
2500
3000
3500
Putaran Mesin (rpm)
4000
4500
5000
HASIL PENELITIAN Grafik Air Fuel Ratio fungsi Putaran Mesin
Grafik AFR terhadap putaran mesin 22 20 18 AFR
Bensin 100 % 16
0 % Coolant 25 % Coolant
14
50 % Coolant 75 % Coolant
12 10 1500
2000
2500
3000
3500
Putaran Mesin (rpm )
4000
4500
5000
HASIL PENELITIAN Grafik Effisiensi Volumetrik fungsi Putaran Mesin
Grafik Effisiensi Volumetrik terhadap putaran mesin 95 85
Effisiensi Volumetrik
75 65
Bensin 100 %
55
0 % Coolant
45
25 % Coolant 50 % Coolant
35
75 % Coolant
25 15 1500
2000
2500
3000
3500
Putaran Mesin (rpm)
4000
4500
5000
Grafik Temperatur Exhaust & Inlet Radiator fungsi Putaran Mesin Grafik Temperatur Exhaust terhadap Putaran Mesin 700 650
Bensin 100 %
600
0 % coolant
550
25 % Coolant
500
50 % Coolant 75 % Coolant
450 1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Putaran Mesin (rpm)
Grafik Temperatur Inlet Radiator terhadap Putaran Mesin Temperatur Inlet Radiator (ºC)
Termperatur Exhaust (ºC)
750
125
105
Bensin 100 % 0 % coolant
85
25 % Coolant 50 % Coolant 75 % Coolant
65 1500
2000
2500
3000
3500
Putaran Mesin (rpm)
4000
4500
5000
Grafik Temperatur Outlet Radiator & Oli fungsi Putaran Mesin
115
Bensin 100 %
100
0 % Coolant 25 % Coolant
85
50 % Coolant 75 % Coolant
70 1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Putaran Mesin (rpm)
Grafik Temperatur Oli terhadap Putaran Mesin
Temperatur Oli (ºC)
Temperatur Outlet Radiator (ºC)
Grafik Temperatur Outlet Radiator terhadap Putaran Mesin
130 Bensin 100 %
115
0 % coolant 25 % Coolant
100
50 % Coolant 75 % Coolant
85 1500
2000
2500
3000
3500
4000
Putaran Mesin (rpm)
4500
5000
HASIL PENELITIAN Grafik Emisi Gas HC fungsi Putaran Mesin
Grafik Emisi Gas HC terhadap Putaran Mesin 700
Emisi Gas HC (ppm)
650 600 Bensin 100 %
550
0 % coolant
500
25 % Coolant 50 % Coolant
450
75 % Coolant
400 350 1500
2000
2500
3000
3500
Putaran Mesin (rpm)
4000
4500
5000
Grafik Emisi Gas CO & CO2 fungsi Putaran Mesin
4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 1000
Bensin 100 % 0 % coolant 25 % Coolant 50 % Coolant 75 % Coolant 1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Putaran Mesin (rpm)
Grafik Emisi Gas CO2 terhadap Putaran Mesin 3 Emisi Gas CO2 (%)
Emisi Gas CO (%)
Grafik Emisi Gas CO terhadap Putaran Mesin
2.5 2
Bensin 100 %
1.5
0 % coolant
1
25 % Coolant
0.5
50 % Coolant 75 % Coolant
0 1500
2000
2500
3000
3500
Putaran Mesin (rpm)
4000
4500
5000
KESIMPULAN DAN SARAN KESIMPULAN Torsi rata-rata tertinggi mesin berbahan bakar CNG terjadi pada komposisi 50 % coolant, yaitu sebesar 41,08 N.m. Namun, masih lebih rendah 5,07 % jika dibandingkan dengan torsi rata-rata pada mesin berbahan bakar bensin. Daya rata-rata tertinggi mesin berbahan bakar CNG terjadi pada komposisi 50 % coolant, yaitu sebesar 14,99 kW. Namun, masih lebih rendah 4,76 % jika dibandingkan dengan daya rata-rata mesin berbahan bakar bensin. Konsumsi bahan bakar spesifik rata-rata terendah mesin berbahan bakar CNG terjadi pada komposisi 25 % coolant, yaitu sebesar 0,23 . Lebih rendah 12,81 % jika dibandingkan dengan konsumsi bahan bakar spesifik rata-rata mesin berbahan bakar bensin. Tekanan efektif rata-rata tertinggi pada mesin berbahan bakar CNG terjadi pada komposisi 50 % coolant, yaitu sebesar 796,27 kPa. Namun, lebih rendah 5,07 % jika dibandingkan dengan tekanan efektif rata-rata mesin berbahan bakar bensin. Efisiensi volumetrik mesin dengan bahan bakar bensin lebih tinggi jika dibandingkan dengan bahan bakar gas CNG. Sedangkan jika ditinjau dari komposisi coolant, tidak terdapat perbedaan yang signifikan dari effisiensi volumetrik dari masing-masing komposisi.
KESIMPULAN
Dengan karakteristik coolant yaitu boiling pointnya mencapai 165°C mampu mendinginkan mesin sampai 7,37 % pada komposisi 75 % coolant Temperatur mesin rata-rata paling paling optimal terjadi pada komposisi 50 % coolant, yaitu sebesar 85,86 °C. Temperatur mesin ini lebih rendah 1,5 % jika dibandingkan dengan mesin dengan bahan bakar bensin. Kandungan emisi gas HC relatif sama pada setiap komposisi cairan pengisi radiator, yaitu mengalami penurunan sekitar 13 % - 15 % jika dibandingkan dengan mesin berbahan bakar bensin. Kandungan gas CO pada variasi komposisi coolant relatif sama yaitu mengalami penurunan sekitar 48 % - 57 % jika dibandingkan dengan mesin berbahan bakar bensin. Kandungan gas CO2 pada variasi komposisi coolant relatif sama yaitu mengalami penurunan sekitar 11 % - 15 % jika dibandingkan dengan mesin berbahan bakar bensin.
SARAN
Perlu adanya penambahan gas flowmeter, agar laju aliran massa udara dan laju aliran massa bahan bakar dapat diukur secara akurat. Perlu dilakukan tune up mesin agar mesin dalam keadaan prima saat diadakan pengujian sehingga data yang didapatkan menjadi lebih teliti.
TERIMA KASIH
MOHON KRITIK DAN SARAN DEMI KESEMPURNAAN TUGAS AKHIR
