PENERAPAN BAHAN BAKAR BIOGAS PADA MOTOR BENSIN DENGAN MODIFIKASI KARBURATOR DAN VARIASI RASIO KOMPRESI

PENERAPAN BAHAN BAKAR BIOGAS PADA MOTOR BENSIN DENGAN MODIFIKASI KARBURATOR DAN VARIASI RASIO KOMPRESI

SKRIPSI

PANJI LAKSAMANA SEPTIANSYAH F14080028

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013

ABSTRAK PANJI LAKSAMANA SEPTIANSYAH. Penerapan Bahan Bakar Biogas Pada Motor Bensin Dengan Modifikasi Karburator Dan Variasi Rasio Kompresi. Dibimbing oleh DESRIAL dan SRI WAHYUNI Biogas merupakan salah satu bio-energi yang dapat diaplikasikan ke dalam motor bensin dengan beberapa modifikasi komponen. Tujuan dari penelitian ini adalah pengaplikasian bahan bakar biogas ke dalam motor bensin dengan modifikasi karburator dan mendapatkan nilai daya maksimal, nilai torsi maksimal dan nilai konsumsi bahan bakar spesifik minimal dari tiap variasi rasio kompresi. Hasil penelitian menyatakan bahwa bahan bakar biogas dalam motor bensin dapat diaplikasikan secara langsung, modifikasi karburator merubah rasio perbandingan udara dan bahan bakar dari 14.7 : 1 (bensin) menjadi 5.7 : 1 (biogas) sehingga motor bensin dapat dioperasikan dengan putaran mesin lebih dari 1500 rpm hingga 4500 dalam keadaan stabil. Nilai daya maksimum dari beberapa rasio kompresi adalah 0.827 kW pada rasio kompresi (RK 7.6), 0.953 kW (RK 8.3), 0.838 kW (RK 9.0) dan 0.764 kW (RK 10.0). Nilai torsi maksimum adalah 3.071 N.m pada rasio kompresi (RK 7.6), 4.274 N.m (RK 8.3), 3.598 N.m (RK 9.0), and 4.074 N.m (RK 10.0). Hasil dari nilai konsumsi bahan bakar spesifik terendah adalah 4.29 m3/kWjam pada rasio kompresi (RK 7.6), 2:13 m3/kWjam (RK 8.3), 1.84 m3/kWjam (RK 9.0), dan 2.92 m3/kWjam (RK 10.0). Rasio kompresi yang optimal adalah 8.3. Kata kunci : Biogas, Motor Bensin, Variasi Rasio Kompresi, Karburator Modifikasi

ABSTRACT PANJI LAKSAMANA SEPTIANSYAH. Application Of Biogas Fuel In Gasoline Engine With Modification Of Carburetor, And Variation Of Compression Ratio. Supervised by DESRIAL and SRI WAHYUNI Biogas is one of the gaseous bio-energy can be applied into gasoline motors with some modification of components. The objectives of this research are applying the biogas fuel in gasoline engine with carburetor modification, measuring and getting value of maximum power and maximum torque and minimum value of the specific fuel consumption of each variation of compression ratio. The results of research were the biogas fuel on gasoline motors could be implemented directly, carburetor modifications changed the ratio of air and fuel ratio of 14.7: 1 (gasoline) to 5.7:1 (biogas) as of gasoline engine could be operated with engine speed over 1500 rpm up to 4500 rpm in a stable condition. The maximal power values for each compression ratio were 0.827 kW at compression ratio (CR 7.6), 0.953 kW (CR 8.3), 0.838 kW (CR 9.0) and 0.764 kW (CR 10.0). Maximum torque values were 3.071 N.m at compression ratio (CR 7.6), 4.274 N.m (CR 8.3), 3.598 N.m (CR 9.0), and 4.074 N.m (CR 10.0). The results of lowest value of specific fuel consumption were 4.29 m3/kWh at compression ratio (CR 7.6), 2:13 m3/kWh (CR 8.3), 1.84 m3/kWh (CR 9.0), and 2.92 m3/kWh (CR 10.0). The optimal of compression ratio was 8.3. Keywords: Biogas Fuel, Gasoline Engine, Variation Of Compression Ratio, Carburetor Modification

PANJI LAKSAMANA SEPTIANSYAH. F14080028. Penerapan Bahan Bakar Biogas Pada Motor Bensin Dengan Modifikasi Karburator dan Variasi Rasio Kompresi. Di bawah bimbingan Desrial dan Sri Wahyuni. 2013.

RINGKASAN

Biogas merupakan salah satu bio-energi berwujud gas yang diproduksi melalui proses fermentasi anaerobik bahan organik seperti kotoran ternak dan manusia, biomassa limbah pertanian atau campuran keduanya, didalam suatu ruang pencerna (digester). Pengembangan biogas menjadi sumber bahan bakar alternatif di Indonesia sangat berpotensi karena pengembangan sumber energi alternatif yang murah, berkelanjutan dan ramah lingkungan sangat dibutuhkan di masyarakat luas khususnya Indonesia. Penerapan biogas diharapkan dapat mengurangi penggunaan bahan bakar fosil dalam motor bakar penggerak mesin-mesin pertanian. Penerapan bahan bakar biogas ke dalam motor bensin memerlukan modifikasi dari karburator hingga sistem pembakaran sehingga biogas dapat diterapkan mesin-mesin pertanian khususnya motor bansin yang digunakan sebagai tenaga penggerak mesin pertanian. Dengan adanya modifikasi karburator dan variasi rasio kompresi, penerapan bahan bakar biogas dapat digunakan pada motor bensin dengan kinerja yang optimal. Penelitian ini dilakukan dengan cara bertahap, tahap pertama dilakukannya modifikasi karburator standar agar supply bahan bakar biogas dapat mengalir dengan perbandingan udara yang ditentukan. Tahap kedua dilakukannya pengujian dengan 4(empat) variasi rasio kompresi, yaitu: 7.6, 8.3, 9.0, dan 10.0. Tahap-tahap tersebut didapatkan hasil berupa nilai torsi, daya, dan konsumsi bahan bakar tiap variasi rasio kompresi. Nilai optimal akan didapatkan dengan membandingkan hasil uji tiap variasi rasio kompresi. Hasil penelitian menunjukan bahwa bahan bakar biogas ke dalam motor bensin dapat dilakukan secara langsung dengan cara modifikasi karburator. Pada Modifikasi karburator dilakukan pengurangan bukaan lubang pemasukan udara (choke) sebesar 250 dari bukaan tertutup dan pelepasan komponen standar, yaitu ruang pelampung (float chamber), pelampung (float), jarum pengabut (jet needle), pengabut stationer(slow jet), dan pengabut utama (main jet). Modifikasi karburator mengubah rasio perbandingan rasio udara dan bahan bakar dari 14.7 :1 (bensin) menjadi 5.7:1 (biogas). Motor bakar yang menggunakan karburator modifikasi dapat beroperasi dengan putaran mesin lebih dari 1500 rpm hingga 4500 rpm dalam kondisi stabil. Uji prestasi bahan bakar biogas pada motor bakar dengan variasi rasio kompresi menunjukan hasil nilai daya dan torsi maksimum terjadi pada rasio kompresi 7.6, 8.3, 9.0, dan 10.0 berturut-turut adalah 0.827 kW, 0.953 kW, 0.838 kW, dan 0.764 kW. Nilai torsi maksimal pada rasio kompresi 7.6, 8.3, 9.0, dan 10.0 berturut-turut adalah 3.071 N.m, 4.274 N.m, 3.598 N.m, 4.074 N.m. Pengukuran nilai sfc (specific fuel consumption) dapat diukur menggunakan alat ukur debit biogas yang menggunakan prinsip venturi. Hasil uji mendapatkan nilai bahan bakar spesifik atau specific fuel consumption (sfc) terendah pada rasio kompresi 7.6, 8.3, 9.0, 10.0 berturut-turut adalah 4.29 m3/kWjam, 2.13 m3/kWjam, 1.84 m3/kWjam, dan 2.92 m3/kWjam. Rasio kompresi yang optimal pada kinerja motor bakar adalah 8.3 dengan nilai daya dan toris maksimum, namun nilai konsumsi bahan bakar spesifik (specific fuel consumption) tidak terjadi pada titik minimal dibandingkan nilai rasio kompresi yang lain. Peningkatan rasio kompresi pada motor bensin tidak begitu berpengaruh terhadap hasil kinerja baik prestasi (performance) dan konsumsi bahan bakar, sehingga pada penerpaan bahan bakar biogas dalam motor bensin tidak perlu mengubah rasio kompresi.

PENERAPAN BAHAN BAKAR BIOGAS PADA MOTOR BENSIN DENGAN MODIFIKASI KARBURATOR DAN VARIASI RASIO KOMPRESI.

SKRIPSI Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN pada Departemen Teknik Mesin dan Biosistem Fakultas Teknologi Pertanian Institut Pertanian Bogor

Oleh: PANJI LAKSAMANA SEPTIANSYAH F14080028

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013

Judul Skripsi : PENERAPAN BAHAN BAKAR BIOGAS PADA MOTOR BENSIN DENGAN MODIFIKASI KARBURATOR DAN VARIASI RASIO KOMPRESI Nama : Panji Laksamana Septiansyah NIM : F14080028

Menyetujui,

Pembimbing I,

Pembimbing II,

Dr.Ir. Desrial, M.Eng NIP. 19661201 199103 1 004

Sri Wahyuni, S.E, M.P NIDN. 9904019664

Mengetahui Ketua Departemen Teknik Mesin dan Bosistem

Dr. Ir. Desrial, M.Eng NIP. 19661201 199103 1 004

Tanggal Lulus:

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa skripsi dengan judul “Penerapan Bahan Bakar Biogas Pada Motor Bensin Dengan Modifikasi Karburator dan Variasi Rasio Kompresi” adalah hasil karya saya sendiri dengan arahan Dosen Pembimbing Akademik, dan belum diajukan dalam bentuk apapun pada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.

Bogor, Maret 2013 Yang membuat pernyataan

Panji Laksamana Septianysah F14080028

© Hak cipta milik Institut Pertanian Bogor, tahun 2013 Hak cipta dilindungi Dilarang mengutip dan memperbanyak tanpa izin tertulis dari Institut Pertanian Bogor, sebagian atau seluruhnya dalam bentuk apapun, baik cetak, fotocopi, microfilm, dan sebagainya

BIODATA PENULIS Panji Laksamana Septianysah dilahirkan di Banjarbaru, 8 September 1989 dari pasangan drh. Deddy Djauhari Siswansyah, M.Si (Alm) dan drh. Salfina Nurdin Ahmad, M.P, sebagai putra ketiga dari 4 bersaudara. Penulis menamatkan pendidikan dasar pada tahun 2002 di SDN Menteng 6 Palangkaraya, kemudian melanjutkan pendidikan menengah pertama di SMPN 2 Palangkaraya pada tahun 2005. Pendidikan menegah atas penulis tamatan tahun 2008 di SMA Negeri 2 Pahandut, Palangkaraya, Kalimantan Tengah. Pada tahun 2008 penulis memilih Program Studi Teknik Pertanian, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian di Institut Pertanian Bogor (IPB). Penulis diterima di IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI). Selama mengikuti perkuliahaan penulis pernah aktif sebagai Ketua Angkatan Teknik Pertanian angkatan 45 (2008). Pengalaman organisasi yang pernah diikuti adalah sebagai Kepala Devisi Public Relation (PR) di Himpunan Mahasiswa Teknik Pertanian (Himateta) pada tahun 2010-2011 dan Wakil Ketua Umum di Engineering Design Club (EDC) Teknik Mesin dan Biosistem pada tahun 20112012. Pengalaman kepanitian yang pernah diikuti adalah sebagai Ketua Panitia di Engineering Summit (Ensum) Himateta. Koordinator Komisi Disiplin (Komdis) di SAPA Himateta 2010, dan Koordinator Humas di Fieldtrip TEP45. Penulis juga aktif sebagai asisten praktikum di mata kuliah Statika Dinamika, Gambar Teknik, Motor dan Tenaga Pertanian, dan Teknik Mesin dan Budidaya Pertanian. Penulis pernah melaksakan magang di perkebunan sawit PT.Kintab Jaya Watindo, Kalimantan Selatan. Selain itu penulis pernah mengikuti Program Short Term di University of Tsukuba, Japan. Penulis melakukan Praktik Lapang (PL) pada tahun 2011 di PT. Laju Perdana Indah dengan judul “Peran Mekanisasi Pertanian Pada Budidaya Tebu di PT. Laju Perdana Indah Oku Timur, Sumatra Selatan”. Sebagai salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian, penulis menyelesaikan skripsi dengan judul “Penerapan Bahan Bakar Biogas pada Motor Bensin dengan Modifikasi Karburator dan Variasi Rasio Kompresi” di bawah bimbingan Dr. Ir. Desrial, M.Eng dan Sri Wahyuni, S.E, M.P.

KATA PENGANTAR

Assalamu’alaikum Wr. Wb. Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul PENERAPAN BAHAN BAKAR BIOGAS PADA MOTOR BENSIN DENGAN MODIFIKASI KARBURATOR DAN VARIASI RASIO KOMPRESI. Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Motor Bakar (Mobak), Fateta IPB-Bogor, dan PT. Swen InovasiBogor. Dengan telah selesainya penelitian hingga tersusunnya skripsi ini, penulis ingin menyampaikan penghargaan dan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak drh. Deddy Djauhari, M.Si (Alm) dan Ibu drh. Salfina Nurdin Ahmad, M.P selaku orang tua, drh. Harry Prima Vidiansyah, Pandu Setya Norviansyah, S.E, dan M.Riduansyah Matin selaku saudara kandung penulis atas kasih sayang, perhatian dan dukungannya kepada penulis. 2. Dr. Ir. Desrial, M.Eng selaku dosen pembimbing skripsi atas bimbingan dan masukannya kepada penulis. 3. Sri Wahyuni, S.E, M.P selaku pembimbing kedua atas bimbingan dan kerjasama kepada penulis. 4. Dr. Dyah Wulandani selaku penguji ketiga atas masukannya kepada penulis. 5. PT.Swen Inovasi Transfer atas kerjasama dalam bantuan peralatan dan bahan selama penelitian berlangsung. 6. Bapak Juli, pegawai TU, Ade Prisma Pranayuda, Kak Cecep, dan Bintarjo Agus atas bantuan selama penelitian berlangsung. 7. Edo Vernando, Bareth Juanda dan Jefri Hidayat sebagai teman satu perjuangan di Pondok Kuning. 8. Aris Adhi Permana, Fuad Insan, Rizky Maulaya, AM Haratul Lisan, Salman Al Farisi, Muhammad Soleh, Taufiq Azhari Siregar, Didik Rahmawan, Ahmad Eriska, Fibula Yudhisa Putra, Dimas Kholis, Ahmad Noval Irvani, Abdul Hafizh, Fajri Ilham, Angga Herviona, Delimy Oktariski, Yudhi Sudiyanto, Yogi Akbar Hermansyah, Romadhon Akhir Rudiansyah, Faiz Ridhan Faroka, Fiki Firtriya, Pramita Riskia, Anggi Tri Granita, Riska Muji Rahayu, Diza Puspa Arista, Gita Pujasari, Nurfiri Shofiyatun, Reni Irmayanti, Putri Lestari, Citra Ayu, Yufi Sara Angraini, Ageng Nurtiya, Endah Rizqi Puri Astianti, HadotTEP44, Angger TEP44, HeniTEP44, FadilTEP44, KalaTEP46, ErisTMB47, dan BrianTMB48 sebagai teman selama ini. 9. Serta teman-teman Magenta TEP45, TPB-B04, Ensemble TEP44, Orion TEP46, Antares TMB47 dan Regenborg TMB48 atas kebersamaan, kerjasama, dan dukungan selama penulis melaksanakan studi di IPB. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih terdapat kekurangan, sehingga kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan untuk memperbaiki skripsi ini. Penulis berharap semoga tulisan ini bermanfaat dan dapat memberikan kontribusi yang nyata terhadap perkembangan ilmu pengetahuan di bidang motor bakar dan energi terbarukan. Bogor, Maret 2013 Penulis

i

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ....................................................................................................................... I DAFTAR ISI ................................................................................................................................... II DAFTAR GAMBAR ...................................................................................................................... IV DAFTAR TABEL .......................................................................................................................... VI DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................................................. VII I.

PENDAHULUAN 1.1. 1.2.

II.

Latar Belakang ....................................................................................................... 1 Tujuan................................................................................................................... 2 TINJAUAN PUSTAKA

2.1.

Bahan Bakar Biogas ................................................................................................ 3

2.1.1. 2.1.2. 2.1.3. 2.1.4.

Definisi Biogas ......................................................................................................... 3 Pembentukan Biogas ................................................................................................ 3 Komposisi Biogas..................................................................................................... 3 Tahap Penerapan Biogas ........................................................................................... 4

2.2.

Penerapan Biogas Sebagai Bahan Bakar Motor Bensin ................................................. 5

2.3.

Bahan Bakar Bensin ................................................................................................ 8

2.4.

Motor bensin 4 Langkah .......................................................................................... 8

2.4.1. 2.4.2.

Kontruksi Motor Bensin 4 Langkah .......................................................................... 9 Prinsip Kerja Motor Bensin 4 Langkah ................................................................... 10

2.5.

Ratio Kompresi (Compression Ratio) .......................................................................11

2.6.

Siklus Otto (Cycle Otto)..........................................................................................12

2.6.1. 2.6.2. 2.6.3. 2.7.

Efisiensi Termal ..................................................................................................... 14 Kerja yang dikeluarkan ........................................................................................... 14 Tekanan Efektif Rata-rata (Mean Effective Pressure) .............................................. 15

Performansi Motor Bakar ........................................................................................15

2.7.1. Tenaga Motor Bakar (Engine Power) ...................................................................... 16 2.7.2. Daya Poros (Brake Power)...................................................................................... 16 2.7.3. Brake Mean Effective Pressure (bmep) ................................................................... 16 2.7.4. Konsumsi Bahan Bakar atau Specific Fuel Consumtion (sfc) ................................... 17 III. METODE PENELITIAN 3.1.

Waktu dan Tempat Pelaksanaan ...............................................................................18

3.2.

Alat dan Bahan ......................................................................................................18

3.3.

Tahapan Penelitian .................................................................................................19

3.3.1. 3.3.2. 3.3.3. 3.3.4. 3.3.5.

Identifikasi Masalah ............................................................................................... 20 Perumusan Konsep ................................................................................................. 20 Analisis modifikasi karburator dan variasi rasio kompresi ....................................... 21 Persiapan Penelitian ................................................................................................ 23 Proses Pengujian .................................................................................................... 23

ii

IV.

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1.

Analisis Termodinamika Bahan Bakar Biogas pada Motor bensin dengan Variasi Rasio kompresi. ..............................................................................................................27

4.2.

Analisis Modifikasi Karburator Bensin untuk Penggunaan Bahan Bakar Biogas .............28

4.3.

Analisis Hasil Uji Performasi Motor Bensin yang Menggunakan Bahan Bakar Biogas. ....33

4.3.1. 4.3.2. 4.3.3. 4.3.4. 4.3.5. 4.3.6. 4.4.

V.

Pengujian bahan bakar bensin dengan variasi rasio kompresi 8.3 ............................. 34 Pengujian bahan bakar biogas dengan variasi rasio kompresi 7.6 ............................. 35 Pengujian bahan bakar biogas dengan variasi rasio kompresi 8.3 ............................. 37 Pengujian bahan bakar biogas dengan variasi rasio kompresi 9.0 ............................. 39 Pengujian bahan bakar biogas dengan variasi rasio kompresi 10.0 ........................... 40 Perbandingan performansi antara pengujian bahan bakar biogas dengan variasi rasio kompresi ................................................................................................................ 42

Uji Konsumsi Bahan Bakar Spesifik .........................................................................45

4.4.1. Persiapan alat ukur ................................................................................................. 45 4.4.2. Pengujian dan pengambilan data konsumsi bahan biogas ......................................... 47 SIMPULAN DAN SARAN 5.1.

Simpulan ..............................................................................................................49

5.2.

Saran....................................................................................................................49

DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................................................... 50 LAMPIRAN ................................................................................................................................... 52

iii

DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Skema pengembangan biogas sebagai bahan bakar alternative pada motor bakar .............. 1 Gambar 2. Tahap proses dan penerapan biogas .................................................................................. 5 Gambar 3. Pipa T pada sistem pencampuran bahan bakar biogas....................................................... 6 Gambar 4. Sistem pencampuran udara dan bahan bakar .................................................................... 7 Gambar 5. Level Konstruksi Motor bensin ........................................................................................ 9 Gambar 6. Konstruksi Umum Motor bensin ...................................................................................... 9 Gambar 7. Siklus Kerja Motor Empat Langkah ............................................................................... 11 Gambar 8. Volume Silinder............................................................................................................. 12 Gambar 9. Diagram siklus otto ........................................................................................................ 13 Gambar 10. Diagram p-V siklus otto pada motor bensin 4 langkah .................................................. 15 Gambar 11. Honda GX110.............................................................................................................. 18 Gambar 12. Flow chart tahapan penelitian ....................................................................................... 19 Gambar 13. Bagian-bagian komponen pada sistem pembakaran Honda GX110 ............................... 20 Gambar 14. Proses pengukuran volume clearance pada kepala silinder. ........................................... 22 Gambar 15. Penampilan visual tiap Variasi Rasio Kompresi (VRK) ................................................ 23 Gambar 16. Skema setup pengujian motor bensin berbahan bakar biogas dengan alat dinamometer dan alat ukur debit digital. ..................................................................................................................... 24 Gambar 17. Cara pengujian performansi pada motor bensin menggunakan dynamometer ................. 25 Gambar 18. Karburator (a) sebelum dimodifikasi dan (b) sudah dimodifikasi ................................... 29 Gambar 19. Komponen karburator yang dimodifikasi (a) selang bensin, (b) venturi bottleneck, (c) pilot jet, (d) main jet, (e) pelampung, (f) mangkok, dan (g) selang biogas ................................................ 29 Gambar 20. Pengukuran lubang pengeluaran bahan bakar (pilot jet)................................................. 29 Gambar 21. Kurva perancangan perbandingan diameter pemasukan (pilot jet) dan diameter pencampuran (venturi bottleneck) karburator (Mitzlaff 1988)........................................................... 30 Gambar 22. Pengaturan ukuran lubang pemasukan udara (choke) .................................................... 30 Gambar 23. Fraksi volume campuran biogas dan udara terhadap perubahan bukaan choke pada karburator modifikasi dengan simulasi CFD (tampak atas) .............................................................. 31 Gambar 24. Fraksi volume campuran biogas dan udara terhadap perubahan bukaan choke pada karburator modifikasi dengan simulasi CFD (tampak samping)........................................................ 31 Gambar 25. Tekanan dalam ruang pada bukaan choke 250 karburator modifikasi dengan simulasi CFD ....................................................................................................................................................... 32 Gambar 26. Kecepatan aliran pada bukaan choke 250 karburator modifikasi dengan simulasi CFD ... 32 Gambar 27. Massa jenis pencampuran biogas dan udara pada bukaan choke 250 karburator modifikasi dengan simulasi CFD ...................................................................................................................... 33 Gambar 28. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar bensin pada rasio kompresi 8.3 uji 1. ........ 34 Gambar 29. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar bensin pada rasio kompresi 8.3 uji 2 ......... 34 Gambar 30. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar bensin pada rasio kompresi 8.3 uji 3 ......... 35 Gambar 31. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 7.6 uji 1 ......... 36 Gambar 32. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 7.6 uji 2 ......... 36 Gambar 33. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 7.6 uji 3 ......... 37 Gambar 34. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 8.3 uji 1 ......... 37 Gambar 35. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 8.3 uji 2. ........ 38 Gambar 36. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 8.3 uji 3 ......... 38

iv

Gambar 37. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 9 uji 1............ 39 Gambar 38. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 9 uji 2............ 39 Gambar 39. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 9 uji 3............ 40 Gambar 40. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 10 uji 1. ......... 41 Gambar 41. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 10 uji 2 .......... 41 Gambar 42. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 10 uji 3.......... 42 Gambar 43. Grafik perbandingan nilai daya tiap variabel rasio kompresi.......................................... 42 Gambar 44. Grafik perbandingan nilai torsi tiap variable rasio kompresi .......................................... 43 Gambar 45. Pemanasan element yang lebih cepat pada saluran exhaust dengan penggunaan bahan bakar biogas .............................................................................................................................. 43 Gambar 46. Perbandingan hasil kontur percampuran biogas dan udara dari karburator modifikasi dan karburator rancang bangun. ............................................................................................................. 44 Gambar 47. Grafik nilai efisiensi mekanis terhadap putaran mesin dengan variasi rasio kompresi..... 45 Gambar 48. Grafik validasi hubungan antara tekanan dan debit ....................................................... 46 Gambar 49. Tampilan layar LCD pada alat ukur ventury digital ....................................................... 46 Gambar 50. Alat ukur debit biogas .................................................................................................. 46 Gambar 51. Pemasangan alat ukur venturi digital, (a) input dan (b) output ....................................... 47 Gambar 52. Grafik hubungan debit dan putaran mesin pada pengujian konsumsi bahan bakar .......... 47 Gambar 53. Grafik hubungan SFC dengan putaran mesin pada pengujian bahan bakar ..................... 48

v

DAFTAR TABEL Tabel 1. Komposisi biogas ................................................................................................................ 3 Tabel 2. Penggunaan metana dan kebutuhannya ................................................................................ 4 Tabel 3. Komposisi limbah dan biogas yang dihasilkan. .................................................................... 4 Tabel 4. Komposisi bahan bakar biogas ............................................................................................. 4 Tabel 5. Komposisi bahan bakar bensin ............................................................................................. 8 Tabel 6. Karakteristik biogas yang digunakan dalam pengujian ........................................................ 18 Tabel 7. Spesifikasi motor bakar yang digunakan pada penelitian .................................................... 19 Tabel 8. Langkah pelaksanaan modifikasi ....................................................................................... 20 Tabel 9. Hasil pengukuran volume clearance pada kepala silinder standar ........................................ 22 Tabel 10. Hasil perhitungan konsep modifikasi................................................................................ 22 Tabel 11. Nilai Efisiensi otto, work out, dan mean effective pressure (mep) pada analisis siklus otto 28 Tabel 12. Perbandingan daya yang dihasilkan dalam pengujian karburator modifikasi dan karburator rancang bangun dalam pengujian motor bensin dengan menggunakan bahan bajar biogas. ............... 44

vi

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Tabel perhitungan variasi tiap rasio kompresi............................................................... 53 Lampiran 2. Gambar visual tiap variasi rasio kompresi .................................................................... 54 Lampiran 3. Data input dan output pada analisis siklus otto ............................................................. 56 Lampiran 4. Grafik output siklus otto .............................................................................................. 57 Lampiran 5. Perhitungan debit yang masuk dalam motor bensin Honda GX-110 ............................. 60 Lampiran 6. Gambar kontur kecepatan aliran karburator modifikasi tiap variasi bukaan choke dengan simulasi CFD.................................................................................................................................. 61 Lampiran 7. Data uji rasio kompresi 8.3 bahan bakar bensin ............................................................ 66 Lampiran 8. Data uji rasio kompresi 7.6 bahan bakar biogas ............................................................ 67 Lampiran 9. Data uji rasio kompresi 8.3 bahan bakar biogas ............................................................ 68 Lampiran 10. Data uji rasio kompresi 9.0 bahan bakar biogas .......................................................... 69 Lampiran 11. Data uji rasio kompresi 10.0 bahan bakar biogas ........................................................ 70 Lampiran 12. Skrip program alat ukur debit .................................................................................... 71 Lampiran 13. Bentuk Invers dari hasil kalibrasi dan validasi ............................................................ 75 Lampiran 14. Desain alat ukur venture digital.................................................................................. 76

vii

I.

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Biogas merupakan salah satu bio-energi berwujud gas yang diproduksi melalui proses fermentasi anaerobik di dalam ruang pencerna (digester) dengan bahan organik seperti kotoran ternak dan manusia, biomassa limbah pertanian atau campuran keduanya (Wahyuni 2011). Dalam komposisi biogas banyak terkandung gas metana, hal inilah yang mengakibatkan biogas dapat dijadikan sumber energi. Sejak tahun 1970, Indonesia sudah mengembangkan teknologi biogas. Namun, tingginya penggunaan bahan bakar minyak menyebabkan penggunaan biogas menjadi kurang berkembang. Penggunaan bahan bakar minyak yang terus-menerus menyebabkan terjadinya kelangkaan energi di tahun 2006, hal tersebut menyebabkan pemerintah Indonesia melanjutkan pengembangan bahan bakar alternatif seperti biogas (Wahyuni 2011). Keunggulan biogas dibandingkan dengan bahan bakar minyak yang berasal dari fosil adalah sifat yang ramah lingkungan dan dapat diperbaharui. Bahan bakar fosil selama ini diisukan menjadi penyebab dari pemanasan global. Pembakaran bahan bakar fosil yang tidak sempurna dapat menyebabkan terjadinya efek gas rumah kaca. Biogas sebagai salah satu energi alternatif yang dapat mengurangi efek gas rumah kaca dipastikan bisa menggantikan bahan bakar fosil yang keberadaannya semakin hari semakin terbatas (Wahyuni 2009). Pengembangan sumber energi alternatif yang murah, berkelanjutan dan ramah lingkungan sangat dibutuhkan di masyarakat luas khususnya Indonesia. Biogas yang merupakan sumber bahan bakar alternatif dapat diterapkan dalam motor bakar sebagai sumber tenaga penggerak mesin-mesin pertanian, pompa air irigasi dan generator yang dapat menghasilkan listrik (Gambar 1). Dengan adanya biogas diharapkan dapat mengurangi penggunaan bahan bakar fosil dalam penggunaan motor bakar. BIOGAS

MOTOR BENSIN/DIESEL

TENAGA PENGGERAK

MESIN-MESIN PERTANIAN

POMPA AIR IRIGASI

GENERATOR

SUMBER LISTRIK

Gambar 1. Skema pengembangan biogas sebagai bahan bakar alternative pada motor bakar Menurut Mitzlaff (1988), biogas dapat diterapkan dalam jenis motor bensin dan diesel, namun lebih mudah bila diterapkan ke dalam jenis motor bensin. Hal tersebut dikarenakan standar modifikasi

1

biogas membutuhkan busi sebagai pemacu ledakan di dalam ruang pembakaran. Selain itu motor bensin memiliki harga yang dapat dijangkau oleh masyarakat Indonesia, sehingga dalam pengaplikasian lebih mudah dibandingkan dengan motor diesel. Penerapan bahan bakar biogas ke dalam motor bensin memerlukan modifikasi dari karburator hingga sistem pembakaran. Adapun modifikasi khusus yang dilakukan untuk mendapatkan kinerja yang maksimal adalah variasi nilai ratio kompresi pada ruang pembakaran di motor bensin. Dengan adanya cara ini, penerapan bahan bakar biogas dapat digunakan pada motor bensin dengan kinerja yang optimal. Pengupayaan untuk mendapatkan nilai konsumsi bahan bakar pada penelitian ini dilakukan dengan adanya rancang bangun alat ukur debit khusus bahan bakar biogas.

1.2. Tujuan 1. 2. 3. 4.

Menerapkan bahan bakar biogas dalam motor bensin dengan modifikasi karburator. Mengukur dan mendapatkan nilai daya dan torsi maksimal yang dihasilkan dari tiap variasi rasio kompresi. Mengukur dan mendapatkan nilai konsumsi bahan bakar spesifik (specific fuel consumption) minimal dari tiap variasi rasio kompresi. Menentukan variasi rasio kompresi yang optimal untuk penerapan bahan bakar biogas dalam motor bensin.

2

II.

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Bahan Bakar Biogas 2.1.1. Definisi Biogas Biogas adalah suatu jenis gas yang bisa dibakar, yang diproduksi melalui proses fermentasi anaerobik bahan organik seperti kotoran ternak dan manusia, biomassa limbah pertanian atau campuran keduanya, di dalam suatu ruang digester (Wahyuni, 2011). Biogas dapat dimanfaatkan menjadi sumber energi alternatif karena kandungan metana yang cukup tinggi. 2.1.2. Pembentukan Biogas Pembentukan biogas terjadi melalui proses fermentasi, proses tersebut pada umumnya merubah bahan organic dengan bantuan mikroorganisme anaerobik menjadi komposisi senyawa CH4, CO2, H2, NH3, dan H2S. Proses penguraian bahan organic dalam digester terjadi melalui tiga tahapan, yaitu: tahap hidrolisis, tahap pengasaman (asidifikasi), dan tahap metanogenesis. Tahap hidrolisis merupakan penguraian bahan organic kompleks yang mudah larut (karbohidrat, protein, dan lemak) menjadi senyawa yang lebih sederhana. Tahap pengasaman (asidifikasi) adalah tahap dimana senyawa sederhana yang diproses dari tahap hidrolisis menjadi senyawa asam, seperti asam asetat, asam propionate, asam butirat, dan asam laktat dan produk sampingan berupa alkohol, CO 2, hydrogen, dan amonia. Tahap terakhir adalah metanogenesis yang memproses hasil senyawa asam menjadi metan, karbondioksida, dan air dengan bantuan bakteri metanogen. Komponen hasil tahap metanogenesis merupakan penyusun dari biogas (Wahyuni, 2011). Proses pembentukan biogas yang maksimal harus didukung dengan parameter-parameter kondisi bahan organik dan kondisi lingkungan yang sesuai. Parameter-parameter tersebut adalah jenis bahan organik, derajat keasaman, imbangan C/N, suhu, laju pengumpanan, zat toksik, pengadukan, starter, dan waktu retensi. Kondisi lingkungan sangat mempengaruhi tingkat fermentasi oleh mikroorganisme. Adapun kondisi lingkungan yang mesti dikontrol adalah derajat keasaman berada pada pH 6.5-7.5 dan suhu lingkungan diantara 32o-37o. (Wahyuni, 2011). 2.1.3. Komposisi Biogas Menurut Ana (2008), Komposisi terbesar biogas yang dihasilkan dari fermentasi adalah gas metana (CH4) dan gas karbon dioksida (CO2) dengan nilai komposisi yang ditampilkan pada Tabel 1. Gas metana (CH4) yang merupakan komponen utama biogas merupakan bahan bakar yang berguna, itu sebabnya biogas dapat dipergunakan untuk keperluan penerangan, memasak, menggerakkan mesin dan sebagainya yang ditampilkan pada Tabel 2. Tabel 1. Komposisi biogas No. Gas Metana (CH4) 1 Karbondioksida (CO2) 2 Nitrogen (N2) 3 Hidrogen (H2) 4 Karbon Monoksida (CO) 5 Hidrogen Sulfida (H2S) 6

Hadi (1981) 54-70 27-35 0.5 – 2.0 0.1 kecil

Price (1981) 65 – 75 25 – 30 Kurang dari 1.0 Kurang dari 1.0 Kurang dari 1.0

Sumber : United Nation (1978) dalam Sri Wahyuni (2011)

3

Tabel 2. Penggunaan metana dan kebutuhannya Kebutuhan Quantity (m3) Penerangan Motor Bakar (CH4) Motor Bensin (Biogas) Sumber: Barnett (1982)

0.07-0.08 0.42 0.60

Rate 1 petromaks/jam Per kWjam Per kWjam

Banyaknya kandungan gas metana pada biogas mengakibatkan biogas dapat dijadikan sumber energi. Pada beberapa literatur sering disebutkan nilai energi yang berbeda dari limbah yang berbeda terlihat pada Tabel 3, hal ini berkaitan erat dalam kondisi lingkungan setempat dan karakteristik subtraksi yang tidak selalu sama. Nilai fisik pada biogas untuk menjadi sumber energi dapat terlihat pada Tabel 4. Tabel 3. Komposisi limbah dan biogas yang dihasilkan. Bahan baku Potensi Gas per Suhu Kg Kotoran (m3) (0C)

% CH4

0.023-0.040 34.6 58 Limbah sapi atau kerbau 0.065-0.116 37.3 60 Limbah ayam 0.020-0.028 20.0 – 26.2 Limbah manusia Sumber: Sri Wahyuni (2011) dan Telaah (1980) dalam Fauziah (1996) dan Tabel 4. Komposisi bahan bakar biogas Sifat Fisika

Waktu Fermentasi (Jam) 10 30 21

Keterangan

Nilai Methane Nilai Kalor (kJ/kg) Massa Jenis Normal

134 18000 1.16

Sumber: Mitzlaff K (1988) dan Razbani O dkk, (2011) Menurut Sri Wahyuni (2011), jumlah energi yang terdapat dalam biogas tergantung pada konsentrasi metana. Semakin tinggi kandungan metana, maka semakin besar kandungan energi (nilai kalori) biogas. Sebaliknya, semakin kecil kandungan metan, semakin kecil nilai kalori. Selain itu, kualitas biogas juga dapat ditingkatkan dengan cara menghilangkan hidrogen sulfur, kandungan air, dan karbondioksida. Pasalnya, hidrogen sulfur mengandung racun dan zat yang menyebabkan korosi. Jika bigas mengandung senyawa ini, maka gas yang ditimbulkan menjadi berbahaya. Sementara itu, kandungan air dalam biogas akan menurunkan titik penyalaan biogas serta dapat menimbulakn korosif. Kandungan hidrogen sulfur, air, dan karbondioksida dapat dihilangkan dengan menggunakan alat atau bahan desulfurizer, yang dibutuhkan untuk menyalakan generator tanpa terkena korosi. 2.1.4. Tahap Penerapan Biogas Proses penerapan biogas (Gambar 2) berawal dari pembentukan kotoran ternak hingga menjadi biogas, selanjutnya biogas digunakan sebagai bahan bakar pada peralatan seperti kompor, lampu petromak, dan motor bensin. Hasil sisa atau limbah biogas dapat diterapkan sebagai bahan pupuk organik (Wahyuni, 2011).

4

Kotoran Ternak dan Air (Perbandingan 1:2)

Lubang Pemasukan

Reaktor Biogas

Biogas

Proses Fermentasi CH4 + CO2

Bahan Bakar Kompor, Lampu Petromak, dan Motor Bakar

Limbah Biogas

Material Pupuk Organik (Pupuk Cair dan Padat) Gambar 2. Tahap proses dan penerapan biogas Sumber: Wahyuni (2011)

2.2. Penerapan Biogas Sebagai Bahan Bakar Motor Bensin Biogas di dunia internasional telah banyak dikembangkan khususnya sebagai bahan bakar dalam motor bakar baik bensin maupun diesel. Pada umumnya penerapan biogas cendrung menggunakan motor diesel dibandingkan motor bensin, namun penerepan biogas relatif lebih mudah dikembangkan pada motor bensin karena pengubahan dari kontruksi standar tidak banyak. Pada dasarnya modifikasi pada motor bakar dilakukan pada bagian pencampuran bahan bakar dan udara, bagian rasio kompresi, dan sistem pengapian. Pencampuran bahan bakar dan udara dilakukan dengan menyesuaikan nilai perbandingan stoikiometri dari proses pembakaran udara dan biogas (Mitzlaff K, 1988). Rasio kompresi pada motor bensin yang diterapkan bahan bakar biogas perlu dilakukannya modifikasi kontruksi dari rasio kompresi standar. Rasio kompresi yang diubah menyesuaikan sifat bahan bakar biogas. Perubahan rasio kompresi yang digunakan diantara 10-12 (Mitzlaff K, 1988). Kecepatan pembakaran biogas adalah 290 m/s. Kemampu-bakarannya adalah 4% hingga 14%. Dua hal ini menjadikan biogas dapat memiliki efisiensi pembakaran yang tinggi. Biogas memiliki angka oktan yang tinggi yaitu 130. Sebagai perbandingan bensin memiliki angka oktan 90 hingga 94, sementara alkohol terbaik hanya 105 saja. Nilai oktan sangat mempengaruhi dalam peningkatan rasio kompresi pada motor bensin (Kapdi dkk, 2006). Penelitian biogas sebagai bahan bakar motor bensin pernah dilakukan oleh Hery AF, Septiropa Z, dan Romadhi F di Indonesia pada penelitian dengan judul “Penerapan Bahan Bakar Biogas Sebagai Bahan Bakar Motor Bensin 1 Silinder 4 Langkah” tahun 2011. Kegiatan penelitian tersebut telah dilakukan pembuatan proses pencampuran udara dan bahan bakar dengan pipa T (Gambar 3) yang dihubungkan langsung ke lubang pemasukan (intake manifold) kepala silinder, tidak menggunakan karburator. Bahan bakar biogas dialirkan dari digester melalui selang dengan bantuan blower untuk menghisap.hingga masuk ke dalam intake manifold motor bensin. Pada ruang pembakaran tidak

5

dilakukannya perubahan rasio kompresi. Hasil penelitian mengatakan bahwa motor bensin dapat menggunakan bahan bakar biogas sebagai bahan bakar, dengan penambahan regulator sederhana untuk biogas, dan mixer udara - biogas, sekalipun kineja maksimal belum dapat diperoleh. Mesin dapat dihidupkan menggunakana biogas dengan kandungan metana 56–60%. Mesin atau motor bakar berbahan bakar biogas yang dipergunakan dalam percobaan dapat menghasilkan listrik untuk menghidupkan lampu hingga 250 Watt.

Gambar 3. Pipa T pada sistem pencampuran bahan bakar biogas Sumber: Hery AF,dkk (2011) Pengembangan biogas dalam penerapan ke dalam motor bensin pernah dilakukan oleh Jechan Lee di New York pada penelitian yang berjudul “A Study on Performance and Emissions of A 4-Stroke IC Engine Operating On Landfill Gas With The Addition Of H2, Co and Syngas” tahun 2010. Kegiatan penelitian yang dilakukan adalah melakukan penambahan gas H2, CO, dan Syngas sebagai pengaruh dalam prestasi motor bensin dan hasil gas buang. Motor bensin yang digunakan adalah Honda GC 160E dengan menggantikan karburator dengan sistem percampuran udara dan bahan bakar yang ditampilkan pada Gambar 4. Hasil uji yang dilakukan mengatakan bahwa effisiensi mesin menurun saat ditambahkan gas CO2 dalam percampuran udara dan bahan bakar. Effisiensi mesin saat daya 0.8 kW dengan penambahan 10% H2, 10% CO, 10% Syngas berturut-turut adalah 12.48%, 12.43%, dan 12.57%. Kandungan gas emisi CO pada gas buang terjadi peningkatan saat pembebanan 0.4 kW dan penambahan gas CO2. Ketika pembebanan ditingkatkan lebih dari 0.6 kW dan terjadinya peningkatan effisiensi mesin yang menyebabkan pembakaran lebih baik maka tejadinya penurunan gas emisi CO.

6

Gambar 4. Sistem pencampuran udara dan bahan bakar Sumber: Lee J (2010) Penelitian tentang variasi rasio kompresi pada motor bakar berbahan bakar biogas telah dilakukukan oleh Dayang dengan judul “Pengaruh Perubahan Compression Ratio Pada Unjuk Kerja Motor Diesel Dengan Bahan Bakar Gas” tahun 2007. Pada penelitian tersebut dilakukan analisis

7

permodelan dengan program GT-Power dengan variasi rasio kompresi pada motor diesel yang menggunakan bahan bakar biogas. Motor diesel yang memiliki rasio kompresi 22.2 dibuat variasi dari rasio kompresi 10 hingga 22.2. Hasil running dari program dan analisi mengatakan bahwa rasio kompresi pada motor diesel yang dapat digunakan adalah 16.

2.3. Bahan Bakar Bensin Bensin untuk kendaraan bermotor merupakan campuran dari destilate hidrokarbon ringan yang terbuat dari campuran minyak bumi dengan komposisi yang ditampilkan pada Tabel 5. Karenanya, bensin adalah campuran paraffin, olefin, naphthene, dan aromatic yang mana berbeda dari perusahaan satu dan lainnya, dari lokasi dan dari musim pada tiap tahunnya. Bensin harus cukup mudah menguap (volatile) agar mudah menguap pada mesin, tetapi tidak sangat volatile sehingga menimbulkan bahaya detonasi selama penanganannya. Temperature boiling bensin adalah 25-225oC. n-octane (88) yang sering digunakan untuk mewakili bensin mempunyai boiling point 125.6oC (Krisna,M 2009). Tabel 5. Komposisi bahan bakar bensin Sifat Fisika Chemical formula Composition Carbon % weight Composition Hidrogen % weight Composition Oxygen % weight Motor Octane Heating value (kJ/kg) Constant related to heat (kJ/kgK Stoichiometric air/ fuel, weight Spesific heat ratio

Keterangan C4 - C10 85 – 88 12-15 0 81 - 90 44000 0.71 14.7 1.4

Sumber : Wiratmaja (2010) Menurut Wiratmaja (2010), sebagai bahan bakar utama untuk kendaraan bermotor saat ini, ada beberapa persyaratan yang harus dipenuhi bensin sebagai bahan bakar yaitu : 1. Mudah tercampur dengan udara dan terdistribusi merata di dalam intake manifold. 2. Tahan terhadap detonasi atau knocking. 3. Tidak mudah terbakar sendiri sebelum waktu yang di tentukan (pre-ignition). 4. Tidak memiliki kecenderungan menurunkan efisiensi volumetris dari mesin. 5. Mudah ditangani apabila dalam keadaan genting. 6. Murah harganya dan mudah didapat. 7. Menghasilkan pembakaran yang bersih, tanpa menyisakan korosi pada komponen peralatan mesin. 8. Memiliki nilai kalor yang cukup tinggi. 9. Tidak membentuk gum dan varnish yang dapat merusak komponen mesin.

2.4. Motor bensin 4 Langkah Menurut Bosch (2001), motor bensin pembakaran dalamnya menggunakan siklus Otto. Sistem pengapian membakar campuran udara dan bahan bakar dan dalam prosesnya mengubah energi kimia pada bahan bakar menjadi energi kinetik. Konstruksi motor bensin memiliki perbedaan dari motor

8

bakar lainnya seperti motor diesel, terutama pada ruang pembakaran bahwa motor bensin membutuhkan busi (spark plug). 2.4.1. Kontruksi Motor Bensin 4 Langkah Kontruksi mesin bensin cukup rumit dimana terdapat bagian untuk melakukan kompresi, lihat Gambar 5 bagaimana konstruksi mesin. Motor bensin serupa dengan bangunan tiga lantai, lantai pertama adalah crankcase termasuk crankshaft yang merubah gerakan bolak balik menjadi gerakan memutar. Lantai kedua adalah cylinder block termasuk didalamnya terdapat silinder yang mana terdapat piston bergerak bolak balik. Bagian ketiga adalah cylinder head (Hyundai,Ltd 2008).

Gambar 5. Level Konstruksi Motor bensin Sumber: Hyunda,Ltd (2008) Pada konstruksi motor bensin komponen yang bergerak pada bagian pertama dan kedua disebut komponen penggerak utama (main moving part). Termasuk didalamnya piston, crankshaft dan connecting rod. Pada bagian ketiga, terdapat valve yang mengontrol intake dan exhaust campuran bahan bakar dan gas buang dan pengoperasiannya diatur oleh camshaft, disebut cylinder head system (Hyundai,Ltd 2008).

Gambar 6. Konstruksi Umum Motor bensin Sumber: Pulkrabek WW (2004) Menurut Pulkrabek WW (2004), kontruksi umum pada motor bakar terdiri dari banyak komponen (Gambar 6). Umumnya bagian motor besin adalah silinder (cylinder block), kepala silinder

9

(cylinder head), torak (piston), poros engkol (crank shaft), bubungan (camshaft), dan carter (crank case). Silinder (cylinder block) adalah komponen utama pada mesin yang terdiri dari beberapa ruang silinder dimana terdapat piston yang bergerak naik turun. Fungsi silinder adalah sebagai wadah terjadinya kerja mekanis utama, khususnya piston. Kepala silinder (cylinder head) adalah komponen penutup dari silinder (cylinder block). Biasanya komponen ini berisi volume clearance dari ruang pembakaran. Berberapa motor bakar kepala silinder gabung dengan silinder. Kepala silinder berisi komponen busi (spark plug) dalam motor SI dan injeksi bahan bakar pada motor CI dan beberapa motor SI. Dalam motor bakar modern memiliki katub (valve) terletak di kepala silinder yang disebut dengan OHV (overhead valves), dan sudah banyak memiliki bubungan (camshaft) diletakan di kepala silinder disebut dengan OHC (overhead cam) (Pulkrabek WW 2004). Torak (piston) berkerja atau bergerak secara bolak balik didalam cylinder menghantarkan gaya dorong kepada connecting rod. Bagian bawah piston adalah piston skirt untuk menstabilkan gerak bolak balik piston. Piston terhubung ke connecting rod menggunakan piston pin. Sehingga, gaya dorong dari pembakaran bertumpu pada pin ini (Hyundai, Ltd 2008). Poros engkol (Crankshaft) berfungsi untuk merubah gerakan reciprocal menjadi gerakan rotasi hingga kini. Crankshaft terpengaruh oleh complicated bending dan distorting force. Counter weight menjaga keseimbangan berat dari gaya yang ditimbulkan oleh reciprocal movement piston dan dari rotational movement pada crankshaft (Hyundai,Ltd 2008). Menurut Pulkrabek WW (2004), bubungan (camshaft) berfungsi dalam mengatur kerja valves untuk membuka dan menutup intake port saat memasukan campuran bahan bakar kedalam ruang bakar dan eshaust port untuk mengeluarkan gas buang. Untuk mesin OHC atau DOHC, cam dipasang pada camshaft di bagian tengah pada cylinder head. Meesin 4 tak ratio pembukaan intake dan exhaust valve terjadi sekali dalam dua kali putaran crankshaft. Carter (crankcase) merupakan bagian dari silinder yang berfungsi sebagai poros putarnya poros engkol (crankshaft). Banyak motor bakar yang menggunakan carter sebagai penampungan oli, maka dari itu penyaluran oli berasal dari carter. 2.4.2. Prinsip Kerja Motor Bensin 4 Langkah Dasar prinsip kerja pada motor bakar internal combustion terdiri dari langkah intake, langkah kompres, pembakaran, langkah power, dan diakhiri langkah exhaust dapat dilihat pada Gambar 7. Langkah pertama yang terjadi adalah langkah pemasukan (intake stroke). Proses ini adalah piston bergerak dari titik mati atas (TMA) ke titik mati bawah (TMB) dengan katup pemasukan (intake valve) terbuka dan katup pengeluaran (exhaust valve) tertutup. Hal ini membuat peningkatan volume di dalam ruang pembakaran. Sehingga terjadinya ruang vakum. Udara akan masuk akan bersamaan dengan pengkabutan bahan bakar dari hasil carburetor atau menggunakan injector (Pulkrabek WW 2004). Langkah kedua merupakan kompresi (compression stroke). Ketika piston mencapai TMB, katup intake menutup dan piston bergerak kembali menuju TMA dengan keadaan semua katup tertutup. Hal tersebut memapatkan campuran udara dan bahan bakar, sehingga terjadi peningkatan baik tekanan maupun suhu di dalam silinder. Mendekati akhir langkah kompresi, busi dipercikan dan pembakaran (combustion) pun dimulai (Pulkrabek WW 2004). Pembakaran pada pencampuran udara dan bahan bakar terjadi sangat singkat dengan waktu terbatas hingga piston mendekati TMA. Pembakaran terjadi ketika menjelang langkah kompresi sedikit mendekati TMA dan terakhir dalam melakukan langkah power dari TMA. Dalam proses ini terjadi pula peningkatan tekanan pada silinder ke titik maksimum (Pulkrabek WW 2004). Langkah ketiga adalah langkah kerja (power stroke) tekanan tinggi dibuat dari proses pembakaran mendorong piston dari TMA disaat katup tertutup semua. Hal ini menyebabkan adanya

10

tenaga dihasilkan dari siklus mesin. Volume silinder meningkat, menyebabkan tekanan dan suhu di dalam menjadi berkurang ketika piston bergerak dari TMA ke TMB (Pulkrabek WW 2004).

Gambar 7. Siklus Kerja Motor Empat Langkah Sumber: Bosch (2001:5) Proses selanjutnya terjadinya hembusan pembuangan (exhaust blowdown). Pada akhir langkah power, katup pengeluaran (exhaust valve) dan exhaust blowdown terjadi. Tekanan dan suhu di dalam silinder masih dalam relatif tinggi dibandingkan lingkungan saat ini, dan perbedaan tekanan dibuat melalui sistem pengeluaran (exhaust system) yang dibuka terhadap tekanan atmosfer di luar. Perbedaan tekanan ini menyebabkan panas pada gas buang yang keluar dari dalam silinder dan melalui sistem pengeluaran ketika piston mendekat TMB (Pulkrabek WW 2004). Langkah keempat adalah terjadinya langkah pembuangan (exhaust stroke). Selama waktu piston mencapai TMB, proses exhaust blowdown telah selesai, namun silinder masih penuh dengan gas buang di sekitar tekanan atmosfer. Dengan keadaan katup pembuangan yang terbuka, piston memulai pergerakan dari TMB ke TMA dalam proses langkah pembuangan. Hal ini mendorong sisa gas buang dari silinder ke sistem pembuangan di sekitar tekanan atmosfer, hanya menyisakan gas yang terjebak hingga piston bergerak ke TMA (Pulkrabek WW 2004).

2.5. Ratio Kompresi (Compression Ratio) Menurut Harsanto (1990), pengertian dari ratio kompresi adalah perbandingan volume silinder (Gambar 8) antara volume total dengan volume clearance, yang bisa dirumuskan pada Persamaan 1.

𝑟=

𝑉𝑑 +𝑉𝑐 𝑉𝑐

............................................................. (1)

Dimana, r = Ratio Kompresi Vd =Volume displacement Vc =Volume clearance

11

Gambar 8. Volume Silinder Sumber: Harsanto (1990) Menurut Robert M (2002), setiap elemen mesin mempertimbangkan sebagai cara untuk mencapai variasi ratio kompresi agar mendapatkan optimasi dan efisiensi daya motor. Ada beberapa cara dibuat untuk mencapai variasi dalam ratio kompresi, sebagai berikut; 1. Memindahkan kepala silinder, 2. Menvariasikan volume ruang bakar (Vc) 3. Menvariasikan ketinggian deck piston 4. Memodifikasi geometri connecting rod 5. Memindahkan crankpin di dalam poros engkol. 6. Memindahkan sumbu dari poros engkol.

2.6. Siklus Otto (Cycle Otto) Siklus otto adalah daur model untuk berbagai motor bakar torak dengan pengapian busi yang ditunjukan pada Gambar 9. Proses terdinamik yang ideal pada siklus otto terjadi proses isentropic (kompresi dan ekspansi) dan isokhorik pada proses pembakaran, sedangkan selama langkah pemasukan dan pengeluaran tekanan dalam silinder diandaikan sama dengan tekanan atmosfer. Kerja oleh torak terhadap gas di dalam silinder selama langkah pembuangan secara eksak sama dengan kerja yang dilakukan (intake stroke), sehingga keluaran kerja berguna dihasilkan semata-mata oleh kelebihan kerja yang dilakukan terhadap gas selama langkah kompresi (Reynolds 1996). Suatu motor bakar pengapian busi yang sebenarnya tidak akan dapat mencapai performansi dari siklus otto yang sangat diidealisasikan. Pembakaran memerlukan waktu untuk kelangsungan, dan oleh karena itu pembakaran dimulai sebelum TMA dengan “mempercepat pengapian”. Selanjutnya, terdapat kerugian tekanan sewaktu aliran melalui katup pada langkah isap (intake) dan langkah buang (exhaust) (Reynolds 1996).

12

Gambar 9. Diagram siklus otto Sumber : Reynolds (1996) Menurut Ganesan (2007), Berikut ini sifat ideal yang dipergunakan dan keterangan mengenai proses siklusnya yaitu: 1. Proses 0 – 1 adalah langkah hisap tekanan konstan yaitu campuran bahan bakar dan udara yang dihisap kedalam silinder (Persamaan 2). 𝑃0 = 𝑃1 ........................................................... (2) Dimana, P= Tekanan 2.

Proses 1 – 2 adalah langkah kompresi adiabatik reversibel (isentropic process) yaitu campuran bahan bakar dan udara dikompresikan (Persamaan 3, 4, 5). 𝑃1 𝑉1 = 𝑚𝑚 𝑅𝑠 𝑇 .................................................... (3) V1= Vd+Vc......................................................................................... (4)

Dimana, V1 = Volume di titik 1(m3) mm = Volume bahan bakar dan udara (kg) Rs = Konstanta gas spesifik (kg/m3) T = Suhu (K) 𝑇2 𝑇1

𝑉

= ( 1) 𝑉2

𝛾−1

𝑑𝑎𝑛

𝑃2 𝑃1

𝑉

𝛾

= ( 1) ........................................... (5) 𝑉2

Dimana, 𝛾 = Rasio nilai panas 3.

Proses 2 – 3 adalah proses pembakaran volume konstan (isokhorik), campuran udara dan bahan bakar dinyalakan dengan bunga api (Persamaan 6, 7, 8).

13

𝑄𝑖𝑛 = 𝑚𝑓 𝑄𝐻𝑉 𝜂𝑐 ............................................................. (6) Dimana, Qin = Panas yang diserap mf = massa bahan bakar (kg) T = Suhu (K) 𝜂𝑐 = Efisiensi Pembakaran (Sempurna= 1,Pembakaran tidak sempurna < 1) 𝑇3 𝑇2

=

𝑃3 𝑃2

................................................................. (7)

𝑉3 = 𝑉2 .................................................................. (8) Proses 3 – 4 adalah langkah ekspansi adiabalik reversibel, kerja yang ditimbulkan gas panas yang berekspansi. Dalam memahami diagram P-V pada siklus otto harus dilakukan terlebih dahulu idealisasasi. Proses yang sebenarnya terjadi berbeda dengan proses idealnya. Berapa idealisasi pada proses ideal antara lain: 1. Fluida yang bekerja dalam silinder dianggap gas ideal dengan konstanta kalor yang konstan. 2. Proses kompresi dan expansi terjadi dalam proses isentropic. 3. Proses pembakaran dianggap sebagai pemanasan fluida kerja. 4. Pada akhir proses ekspansi, tekanan dan suhu turun mendekati tekanan dan suhu atmosfer saat mendekati TMB. 5. Tekanan fluida dalam silinder selama langkah buang dan isap adalah kontan dan sama dengan tekanan atmosfer. 4.

2.6.1. Efisiensi Termal Menurut Ganesan (2007), efisiensi thermal pada siklus otto dapat dituliskan pada Persamaan 9. Efisiensi termal pada siklus otto adalah fungsi dari ratio kompresi dan ratio dari nilai panas, 𝛾. Nilai 𝛾 diasumsikan kontant dari sumua kegiatan aliran, nilai efisien meningkat dari peningkatan kompresi ratio. Lebih lanjut, efisiensi tergantung dari panas yang disuplai dan ratio tekanan. Menggunakan gas dengan tinggi nilai 𝛾 akan meningkatkan efisiensi dari siklus otto.

𝜂𝑜𝑡𝑡𝑜 = 1 −

1 𝑟(𝛾−1)

......................................................... (9)

Dimana, η otto = Effisiensi thermal 2.6.2. Kerja yang dikeluarkan Menurut Ganesan (2007), kerja bersih keluaran (net work output) untuk siklus otto dapat dijelaskan pada Persamaan 10 dan 11; 𝑊=

𝑝1 𝑉1 𝛾−1 𝑝3 𝑝2

(𝑟𝑝 − 1)(𝑟 𝛾−1 − 1) .............................................. (10) 𝑝

= 𝑝4 = 𝑟𝑝 ............................................................ (11) 1

Dimana, W = Kerja yang dikeluarkan (net work output)

14

2.6.3. Tekanan Efektif Rata-rata (Mean Effective Pressure) Dalam aktual motor bakar, diagram p-V dikatakan sebagai diagram indicator yang diperoleh dari kerja mekanis yang terjadi di dalam silinder. Menurut Ganesan (2007), kerja bersih indicated (Indicated net work) ditunjukan pada Gambar 10, area 1-2-3-4 yang diapit oleh garis proses pada siklus tersebut. Bila area kotak A-B-C-D sama dengan area 1-2-3-4, jarak garis vertikal antara dua garis horisontal AB dan CD dinyatakan sebagai Indicated mean effective pressure, imep. Menurut Ganesan (2007), nilai Indicated mean effective pressure didapatkan dengan cara Persamaan 12, 𝑖𝑚𝑒𝑝 =

𝑝1 𝑟(𝑟𝑝 −1)(𝑟𝛾−1 −1) (𝛾−1)(𝑟−1)

(12)

Dimana, imep= Indicated mean effective pressure (N/m2)

Gambar 10. Diagram p-V siklus otto pada motor bensin 4 langkah Sumber: Ganesan (2007)

Dengan demikian, dapat dilihat bahawa hasil keluaran kerja adalah berbanding langsung terhadap rasio tekanan, rp. Tekanan efektif rata-rata merupakan indikasi dari peningkatan output kerja internal dengan rasio tekanan pada nilai tetap dari rasio kompresi (rc) dan rasio dari nilai panas (𝛾) (Ganesan 2007).

2.7. Performansi Motor Bakar Setiap motor bakar memiliki perfora yang berbeda-beda, hal tersebut disebabkan adanya beberapa faktor terutama tenaga yang dikeluarkan dan torsi. Menurut Ganesan (2007), performa mesin tergantung pada antar-hubungan antara daya yang dikembangkan, kecepatan dan konsumsi bahan bakar spesifik pada setiap kondisi operasi dalam kisaran yang guna kecepatan dan beban. Terdapat faktor yang dipertimbangkan dalam mengevaluasi dari performa mesin, antara lain: 1. Maksimum daya atau torsi yang tersedia di masing-masing kecepatan. 2. Rentang daya keluar di kecepatan konstan. 3. Pengereman konsumsi bahan bakar di setiap kondisi pengoperasian. 4. Kehandalan dan durabilitas mesin.

15

Performa mesin dapat ditentukan dengan dua jenis metode, antara lain adalah menggunakan cara dari hasil penelitian yang diperoleh dari dinamometer dan menggunakan kalkulasi analisis berdasarkan data teoritis. Istilah performa biasanya diartikan sebagimana baiknya mesin melakukan kerja dengan menghubungkan penggunaan energi yang masuk atau seberapa efektifitas penggunaan energi yang dihubungkan dengan berberapa mesin sejenis lainnya (Ganesan 2007). Beberapa parameter penting dalam performa mesin adalah kecepatan, suhu dan tekanan pemasukan, pengeluran, ratio udara dan bahan bakar, dll. Kisaran yang berguna dari parameter tersebut adalah dari beberapa factor, seperti tegangan mekanik (mechanical stresses), knocking, kelebihan panas (opver-heating), dan lain-lain (Ganesan 2007). 2.7.1. Tenaga Motor Bakar (Engine Power) Dalam uji performasni terdapat dua tenaga motor bakar yaitu Indicated Power (IP) dan Brake Power (BP). Indicated power adalah tenaga yang tersedia pada piston yang diterima sebagai hasil pengembangan panas bahan bakar, sedangkan Brake Power merupakan tenaga yang tersedia pada poros engkol penyaluran atau dihubungkan secara langsung. Selisih antara IP dan BP disebut Friction Power (FP), lihat Persamaan 13. Friction Power (FP) yaitu tenaga yang digunakan untuk mengatasi gesekan yang menggerakan seluruh komponen yang terlibat (Ganesan 2007). 𝑓𝑝 = 𝑖𝑝 − 𝑏𝑝.............................................................. (13) Dimana, 𝑓𝑝 = Friction Power (kW) 𝑖𝑝 = Indicated Power (kW) 𝑏𝑝 = Brake Power (kW) 2.7.2. Daya Poros (Brake Power) Menurut Ganesan (2007), daya poros (brake power) biasanya diukur dengan alat yang dilekatkan pada poros motor, seperti dinamometer atau pronybrake. Dengan menggunakan alat tersebut dapat terukur gaya (N) yang dihasilkan dari motor. Kerja motor tersebut didapat dari nilai gaya dan panjang lengan (R) dari titik pengujian ke poros motor. Dengan kerja yang dihasilkan selama putaran poros akan didapatkan nilai daya poros motor tersebut. Persamaan 14 dapat digunakan dalam memperhitungkan nilai daya poros (bp) adalah : 2𝜋𝑅𝐹𝑁

𝑏𝑝 = 60𝑥1000 ............................................................ (14) Dimana, bp R F N

= Daya poros (kW) = Panjang lengan (m) = Gaya (N) = Putaran poros (rpm)

2.7.3. Brake Mean Effective Pressure (bmep) Indicated mean effective pressure (imep) dapat dianggap terdiri friction mean effective pressure (fmep) dan brake mean effective pressure (bmep), lihat Persamaan 15. Friction mean effective pressure (fmep) adalah bagian dari imep yang dibutuhkan untuk mengatasi gesekan yang hilang, dan brake mean effective pressure (bmep) adalah bagian yang diproduksi daya berguna yang dihasilkan motor (Ganesan 2007). 𝑖𝑚𝑒𝑝 = 𝑏𝑚𝑒𝑝 + 𝑓𝑚𝑒𝑝 .............................................. (15)

16

Nilai bp dan bmep memiliki kesamaan hubungan dengan persamaan ip dan imep, sehingga bp dapat juga dinyatakan dalam Persamaan 16.

𝑏𝑝 =

𝑏𝑚𝑒𝑝 𝑉𝑠 𝑁 𝑛 𝐾

𝑏𝑚𝑒𝑝 =

60000 𝑏𝑝 60000 𝑉𝑠 𝑁 𝑛 𝐾

.................................................... (16) ..................................................... (17)

Dimana, Bmep = brake mean effective pressure (N/m2) Menurut Ganesan (2007), nilai bmep sangat berguna dalam membandingkan motor atau menetapkan batas pengoperasian mesin. Dengan adanya nilai bmep dari Persamaan 17 bisa didaptkan nilai efisiensi mekanis pada mesin dengan membandingan dengan nilai imep (Persamaan 18). Umumnya nilai efisiensi mekanis berkisar pada nilai 65%-85% (Ganesan 2007). 𝜂𝑚 =

𝑏𝑝 𝑖𝑝

=

𝑏𝑚𝑒𝑝 𝑖𝑚𝑒𝑝

.......................................................... (18)

Dimana, 𝜂𝑚 = efisiensi mekanis (mechanical efficiency) 2.7.4. Konsumsi Bahan Bakar atau Specific Fuel Consumtion (sfc) Konsumsi bahan bakar diartikan sebagai jumlah bahan bakar yang dikonsumsi persatuan unit daya dari hasil pengoperasian dalam perjam. Secara tidak langsung konsumsi bahan bakar spesifik merupakan indikasi efisiensi mesin dalam menghasilkan daya dari pembakaran bahan bakar. Persamaan 19 dapat digunakan dalam mencari nilai konsumsi bahan bakar atau specific fuel consumtion. 𝑚𝑓 𝑁𝐾

𝑠𝑓𝑐 = 60 𝑛 𝑏𝑝 ............................................................... (19) Dimana, sfc = specific fuel consumption (gr/m2) mf =massa bahan bakar (kg)

17

III.

METODE PENELITIAN

3.1. Waktu dan Tempat Pelaksanaan Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Maret 2012 sampai dengan Desember 2012. Proses modifikasi motor dilaksanakan di Bengkel Leuwikopo dan pengujian motor dilakukan di Laboratorium Motor Bakar, Depatemen Teknik Mesin dan Biosistem (TMB), Fakultas Teknologi Petanian, Institut Pertanian Bogor. Pengujian lapang dilakukan di PT. Swen Inovasi.

3.2. Alat dan Bahan Alat-alat dan perlengkapan utama yang diperlukan untuk kegiatan penelitian ini meliputi peralatan modifikasi dan peralatan instrument untuk pengujian kinerja lapangan. Selain itu bahan-bahan yang digunakan adalah bahan modifikasi dan bahan habis untuk uji kinerja. 1. Peralatan modifikasi motor bensin anatara lain : las listrik, mesin bubut, penggaris, busur, gunting, las potong, gerinda tangan, gerinda duduk, bor tangan, tang, obeng, kunci pas, dan kunci ring, dan alat bantu pelepas piston. 2. Peralatan instrument untuk pengujian kinerja lapangan: dynamometer, pronybrake, tacho meter, stopwatch, timbangan, kantung biogas, selang, dan pompa biogas dan gelas ukur. 3. Peralatan rancang bangun alat ukur debit biogas: Obeng, lem, mesin bubut, gergaji potong, bor. 4. Bahan habis untuk kinerja : biogas (Tabel 6), bensin, dan oli mesin 5. Bahan modifikasi motor : Motor Bensin Honda GX110 (Gambar 11) dengan spesifikasi di Tabel 7, piston, ring piston, dan elektroda, 6. Bahan rancang bangun: plat akrilik 5 mm, poros kuningan d=38 mm, mur dan baut, sensor MPX 5050 DP, Atmega 8535, Smart LCD. Tabel 6. Karakteristik biogas yang digunakan dalam pengujian Spesifikasi Keterangan Kotoran Sapi Potong Bahan 24 Rasio C/N 3 0.023 - 0.040 Potensi produksi gas (m /kg ) 0 34.6 Suhu ( C) 58% % CH4 10 Waktu Fermentasi (Jam)

a Gambar 11. Honda GX110

18

Tabel 7. Spesifikasi motor bakar yang digunakan pada penelitian Spesifikasi

Keterangan

Merk Type Engine type

Honda GX110 4-stroke, overhead valve, single cylinder 320 x 345 x 320 mm ( 12.6 x 13.6 x 12.6 in) 12.0 kg 107 cc (6.5 cu in) (57 x 42 mm [2.2 x 1.7 in]) 3.5 HP/ 3600 Rpm 0.7 Kg-m (5.2 ft-lb)/2800 rpm 0.081 Gal/PS h Forced air Transistorized magneto Counterclockwise

Dimensions (Length Width x Height) Dry Weight Displacement (Bore x Stroke) Max. Output Max. Torque Fuel consumption Cooling system Ignition system PTO shaft rotation

x

Sumber: http://engines.honda.com/parts/ownersmanuals/gx110

3.3. Tahapan Penelitian Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode pendekatan rancangan secara umum, yaitu pendekatan analisis teknik, pembuatan model, proses modifikasi dan uji fungsional. Diagram alir metode penelitian dapat dilihat pada Gambar 12. Mulai

Identifikasi Masalah

Perencanaan Konsep

Analisis Modifikasi Karburator dan Variasi Rasio Kompresi

Persiapan Penelitian N Proses Pengujian Y Selesai Gambar 12. Flow chart tahapan penelitian

19

3.3.1. Identifikasi Masalah Pengidentifikasi masalah dalam penelitian ini diperlukan untuk memahami penerapan bahan bakar biogas ke dalam motor bensin sehingga diperlukannya beberapa modifikasi dari komponen dari motor bensin, sehingga mendapatkan komposisi kinerja yang baik. Komposisi kinerja yang baik dilihat dari uji performansi motor bakar tersebut. Adapun beberapa permasalahan yang akan dihadapi adalah a) Bagaimana pemilihan cara modifikasi karburator agar perbandingan rasio udara dan bahan bakar biogas tepat untuk menghidupkan motor bensin dengan stabil. b) Bagaimana pemilihan cara modifikasi ruang pembakaran untuk mendapatkan variasi rasio kompresi yang tepat. c) Bagaimana menentukan dan membuktikan kinerja motor bensin yang menggunakan bahan bakar biogas dengan modifikasi karburator dan variasi rasio kompresi. 3.3.2. Perumusan Konsep Penelitian ini dilakukan beberapa tahap yaitu dengan memodifikasi karburator, memodifikasi variasi rasio kompresi, dan pembuatan alat ukur debit biogas. Memodifikasi karburator dilakukan dengan cara melepas bagian komponen tertentu dari keadaan standar hingga mendapatkan rasio udara dan bahan bakar yang tepat. Penentuan rasio udara dan bahan bakar menggunakan analisis stoikiometri dan simulasi computation fluid dynamic (CFD). Penentuan modifikasi menggunakan dengan cara memotong silinder head dan menambah packing atau gasket pada motor bakar yang digunakan sehingga terjadi variasi volume clearance. Variasi kompresi ratio dilakukan sebanyak 4 tingkat diantaranya, yaitu 2 tingkat diatas rasio kompresi dan 1 tingkat dibawah rasio kompresi standar pabrik. Langkah modifikasi akan dijelaskan pada Tabel 8. Bagian-bagian yang akan dimodifikasi menyesuaikan komponen-komponen standar motor bensin Honda GX110 pada Gambar 13. Tabel 8. Langkah pelaksanaan modifikasi Variasi Rasio Kompresi -1 0 2 1

Cara Pelaksanaan

Menambahkan gasket pada kepala silinder yang standar Tanpa ada perubahan dari standar motor yg diuji Memotong kepala silinder yang standar Menambahkan gasket pada kepala silinder variasi rasio kompresi 2

Kepala Silinder Gasket Piston Blok Silinder

Gambar 13. Bagian-bagian komponen pada sistem pembakaran Honda GX110

20

Konsep pembuatan alat ukur debit menyesuaikan karakterisk biogas yang merupakan bahan bakar berbentuk gas sehingga tidak bisa dilakukan pengukuran secara langusng dengan kasat mata. Oleh karena itu pengukuran gas dapat dilakukan dengan menggunakan prisip kerja venturi dengan melihat perbedaan tekanan, selanjutnya pembacaan tekanan dilakukan dengan cara pemasangan sensor tekanan dan monitor pembaca. Penentuan dan pembuktian dari kinerja motor bensin yang menggunakan bahan bakar biogas dengan modifikasi karburator dan variasi rasio kompresi dilakukan dengan tahap pengujian dan analisis hasil uji. Tahap pertama dilakukannya analisis dan perhitungan siklus otto, hal ini dilakukan untuk mendapatkannya nilai indicated mean effective pressure (imep) tiap variasi rasio kompresi yang menggunakan bahan bakar biogas dan sebagai pembanding analisis juga menggunakan bahan bakar bensin. Dalam analisis siklus diperlukan data-data dari dimensi ruang pembakaran dan sifat fisik bahan bakar. Selanjutnya dari analisis siklus akan didapatkan nilai optimum baik efisiensi termal dan tekanan efektif rata-rata pada siklus otto (mean effective pressure. Tahap selanjutnya melakukan pengujian untuk mendapatkan daya, torsi, dan konsumsi bahan bakar. Data uji prestasi motor bensin dianalis untuk mendapatkan nilai brake mean effective pressure (bmep) dan efisiensi mekanis (mechanical efficiency. Hasil uji konsumsi bahan bakar dianalisis untuk mendapatkan nilai bahan bakar spesifik atau specific fuel consumption (sfc). 3.3.3. Analisis modifikasi karburator dan variasi rasio kompresi Rasio udara dan bahan bakar pada karburator dapat ditentukan dengan analisis stoikiometri. Dalam analisis stoikiometri tersebut didapatkan perbandingan volume metana dan oksigen yang akan dicampurkan ke dalam karburator. Pengujian menggunakan bahan bakar biogas dan udara, sehingga perlu mengetahui persentasi nilai metana dalam biogas dan oksigen dalam udara. Komposisi metana yang terkandung dalam biogas diinputkan sebesar 60%, selain itu oksigen yang terkandung di udara sebesar 21 persen. 𝐶𝐻4 + 2𝑂2 → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2 𝑂 ................................................. (20) Pada stoikiometri perbandingan metana dan oksigen adalah 1:2 terlihat pada Persamaan 20. Nilai tersebut diinputkan ke dalam rumus perbandingan stoikiometri pada Persamaan 21 sehingga didapatkan rasio udara dan bahan bakar biogas adalah 5.7:1. Dengan demikian perlunya pelepasan komponen dari karburator standar.

𝐵𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠 𝑈𝑑𝑎𝑟𝑎

=

𝑛 𝐶𝐻4 ) 𝑃𝑒𝑟𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠𝑖 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑒 𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚 𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠 𝑛 𝑂2 ( ) 𝑃𝑒𝑟𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠𝑖 𝑜𝑘𝑠𝑖𝑔𝑒𝑛 𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚 𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎

(

................................ (21)

Pengukuran dan perhitungan pada ruang volume pada ruang bakar silinder perlu dilakukan sebelum melakukan perhitungan variasi dimensi pada modifikasi rasio kompresi. Volume yang perlu diketahui adalah volume clearance dan volume displacement. Biasanya dapat diketahui secara langsung nilai volume displacement pada spesifikasi motor bakar, namun untuk mendapatkan nilai volume clearance perlu dilakukan pengukuran dengan cara meneteskan air ke permukaan ruang volume clearance pada silinder head seperti pada Gambar 14. Cara tersebut akan didapatkan data nilai rasio kompresi aktual pada motor bakar yang digunakan pada pengujian.

21

Gambar 14. Proses pengukuran volume clearance pada kepala silinder. Tabel 9. Hasil pengukuran volume clearance pada kepala silinder standar

Ulangan

Hasil

1

11.8 mm3

2

11.7 mm3

3

11.4 mm3 11.63333 mm3

Rata-rata

Hasil pengukuran kepala ssilinder yang ditunjukan pada Tabel 9 didapatkan nilai rata-rata volume clearance adalah 11.63 mm3 dengan penambahan gasket (packing) setebal 1.2 mm, maka nilai volume clearance menjadi 14.68 mm3 dan nilai rasio kompresi menjadi 8.30 :1. Nilai rasio kompresi standar tersebut sebagai dasar penentuan variasi rasio kompresi dengan perhitungan (Lampiran 1) sehingga didapatkan hasil yang ditunjukan pada Tabel 10, hasil penampakan visual ditampikan pada Gambar 15 dan Lampiran 2. Pada variasi rasio kompresi (-1) dan (1) dilakukannya penambahan gasket setebal 0.8 mm dan pemotongan (milling) kepala silinder, sedangkan pada variasi (1) dan (2) terjadi pergantian kepala silinder (cylinder head). Tabel 10. Hasil perhitungan konsep modifikasi Variasi Ratio Kompresi -1 0 2

Ratio Kompresi 7.6 8.3 10.0

22

1

VRK 7.6

9.0

VRK 8.3

VRK 9.0 VRK 10.0 Gambar 15. Penampilan visual tiap Variasi Rasio Kompresi (VRK) 3.3.4. Persiapan Penelitian Persiapan dilakukan dengan cara pengecekan komponen pada motor bakar Honda GX-110 dalam keadaan standar. Kondisi komponen yang tidak dalam kedaan baik atau berfungsi perlunya penggantian dan perawatan hingga komponen tersebut dalam keadaan berfungsi. Untuk modifikasi karburator standar diperlukan pelepasan komponen pada korburator, sehingga karburator tersebut dapat difungsikan sebagai pencampuran biogas yang digunakan sebagai bahan bakat pada motor bensin. Proses pembuatan modifikasi ruang pembakaran motor bakar dilakukan setelah persiapan motor bensin telah selesai. Pembuatan dilakukan dengan cara memotong silinder head dengan cara menggunakan mesin milling. Langkah pemotongan mengikuti dari konsep desain yang telah ditentukan. Tahap selanjutnya melakukan pembuatan alat pengukur debit biogas yang menggunakan prinsip venturi dan menggunakan komponen mikrokontroler. Untuk pengukuran performance dipersiapkan alat ukur dynamometer yang disediakan dalam lab. motor bakar, yaitu: dynomax. 3.3.5. Proses Pengujian Proses pengujian dilakukan dalam 3 tahap, yaitu uji fungsional, uji performansi, uji konsumsi bahan bakar. Proses pengujian dilakukan dengan alur proses Gambar 16, hal ini diharapkan dapat menentukan kualitas dan optimalitas dari proses variasi dan modifikasi ratio kompresi.

23

Air

Motor Bensin

Kantong Biogas Sensor Pengukur Debit

Dinamometer

Katup Load

Monitor Pengukuran Debit

Data Controller DC Adaptor 12 V

Sumber Listrik AC 220V/50-60 Hz

Monitor Pengukuran Daya dan Torsi

Gambar 16. Skema setup pengujian motor bensin berbahan bakar biogas dengan alat dinamometer dan alat ukur debit digital. 3.3.5.1. Uji Fungsional Uji Fungsional dilakukan dengan cara menghidupkan motor bakar menggunakan bahan bakar biogas pada silinder head baik yang standar maupun yang sudah dimodifkasi dan divariasikan. Pengujian fungsional dilakukan hingga motor yang digunakan pengujian dapat hidup dalam keadaan stabil. Adapun tahap-tahap pengujian fungsional sebagai berikut:  Pengujian dengan variasi bukaan kran kantong biogas.  Pengujian dengan variasi bukaan katup choke (manifold udara)  Pengujian dengan variasi bukaan katup throttel (manifold campuran bahan bakar) Dari pengujian tersebut didapatkan hasil uji penghidupan motor dalam keadaan stabil. Selain itu mendapatkan nilai kecepatan poros yang maksimal. Apabila motor bakar hidup dalam keadaan tidak stabil maka perlunya pengulangan pada proses perumusan konsep modifikasi hingga motor yang diuji hidup dalam keadaan stabil. Pengujian validasi pada alat ukur debit dilakukan dengan cara mengukur ulang data yang ditampilkan pada LCD dengan data ukur menggunakan flow meter udara manual. 3.3.5.2. Uji Performansi Setelah proses modifikasi selesai, maka motor bakar yang telah dimodifikasi diuji performansinya. Sebagai perbandingan uji performansi maka dibutuhkan data pembanding dari uji performansi pada motor bensin sebelum dimodifikasi baik menggunakan bahan bakar bensin maupun biogas.

24

Gambar 17. Cara pengujian performansi pada motor bensin menggunakan dynamometer Pengujian performansi atau uji prestasi akan mendapatkan data-data, yaitu: Brake Power (BP), Kecepatan Putar Mesin (RPM), Torsi (T), brake mean effective pressure (Bmep), dan Efisiensi Mekanis. Pengambilan data-data dilakukan dengan cara menggunakan alat ukur dynamometer (Gambar 17) dengan langkah-langkah pengambilan sebagai berikut, 1. Alat uji dynomite dipersiapkan dan dirangkai, seperti : a) Adaptor (Penghubung poros mesin ke lubang poros alat uji dynomite b) Selang air (Penyalur air ke alat uji dynomite) c) Kabel Konektor (Penghubung alat uji dynomite ke komputer) d) Instalasi software dynomite dalam komputer 2. Motor yang diuji dihidupkan selama 5 menit sebagai warm up. 3. Software dynomite yang telah terinstal dalam komputer ditampilkan, sebelum dilakukannya pengujian lakukan langkah berikut: a) Buat lembar kerja baru (pilih menu file->new) b) Isi keterangan atau spesifikasi ke dalam lembar kerja baru c) Klik toolbar untuk memunculkan monitor uji. 4. Setting motor dengan kecepatan poros (RPM) yang maksimal, usahakan motor dalam keadaan kecepatan poros yang stabil saat setting kecepatan poros maksimal. 5. Apabila motor sudah siap, amati software dynomite dan klik tombol “test” pada monitor uji. 6. Data akan terekam pada monitor uji. 7. Pengujian performansi motor dilakukan dengan cara membuka kran air pada load cell (semakin besar bukaan kran maka air yang dialirkan semakin besar dan pengereman pun semakin kuat , begitu sebaliknya). Lakukan pengereman secara perlahan agar data yang direkam tidak terjadi fluktuasi yang besar 8. Pada pengujian performansi akan terjadi peningkatan nilai torsi dan daya. Apabila nilai torsi sudah mulai menurun, maka lakukan penurunan beban pengereman dengan cara membuka kran air secara perlahan. 9. Saat kecepatan poros (RPM) kembali dalam keadaan awal, klik tombol “pause” pada monitor uji, selanjutnya motor dimatikan. 10. Data yang direkam dapat dilihat kembali dengan cara klik tombol “replay data”. 11. Data yang direkam dapat dicetak ke dalam format “Microsoft Excel”, dengan cara :

25

a) Klik toolbar “tabel” pada layar monitor uji b) Pilih menu file-->export to format .xls c) Pilih folder pada langkah “save”, lakukan penamaan (rename) dan klik tombol “save”. 12. Pengujian selesai. 3.3.5.3. Uji konsumsi bahan bakar Cara pengambilan data yang diterapkan adalah mengukur debit bahan bakar biogas tiap variasai rasio kompresi dengan pembebanan alat dynamometer. Pembebanan yang dilakukan hingga mendekati batasan-batasan pada putaran mesin RPM 1000, 1500, 2000 , 2500, 3000, 3500, 4000. Pembacaan nilai debit dilakukan dengan cara melihat data yang konstant saat terjadinya pembebanan dengan batasan yang telah ditentukan.

26

IV.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Biogas merupakan salah satu bahan bakar berbentuk gas yang dapat diterapkan ke dalam motor bensin terutama pada Honda GX-110. Perlunya beberapa analisis dan modifikasi pada motor bensin dalam penerapan bahan bakar biogas ini. Analisis dan modifikasi dilakukan dengan cara membandingkan karakteristik bahan bakar antara biogas dan bensin. Hal tersebut dapat menentukan kelayakan dan memaksimalkan penggunakan bahan bakar biogas ke dalam motor bensin. Setiap motor bakar memiliki analisis dan modifikasi yang berbeda dalam penerapan bahan bakar biogas ini, oleh karena itu analisis dan modifikasi yang dilakukan diperuntukkan untuk motor bakar Honda GX-110. Untuk itu penelitian ini dilakukannya 2 hal, yaitu: analisis termodinamika bahan bakar biogas dan modifikasi karburator standar pada motor bakar Honda GX-110. Selanjutnya dilakukannya pengujian dengan cara 4 variasi rasio kompresi. Langkah-langkah ini diharapkan dapat memaksimalkan penggunakan biogas ke dalam motor bensin.

4.1. Analisis Termodinamika Bahan Bakar Biogas pada Motor bensin dengan Variasi Rasio kompresi Pengujian bahan bakar pada motor bakar diperlukannya analisis termodinamika. Hal ini diharapkan dapat memperlihatkan seberapa besar efisiensi dan tenaga yang dihasilkan dari bahan bakar tersebut. Analisis termodinamika akan menampilkan perbedaan karakteristik kerja bahan bakar biogas dan bensin dengan variasi nilai kompresi ratio di dalam dalam motor bensin Honda GX-110. Bensin memiliki angka oktan 90 hingga 94 dan sementara alkohol terbaik hanya 105, dan biogas memiliki angka oktan yang tinggi yaitu 130. Hal ini berarti biogas dapat digunakan pada mesin dengan perbandingan kompresi tinggi dan juga menghindarkan mesin dari terjadi knocking atau ketukan. Titik didih biogas adalah 300 derajat Celsius (Kapdi dkk, 2006). Hal ini memungkinkan untuk melakukannya variasi rasio kompresi di atas nilai standar pada motor bakar Honda GX-110. Dari pendekatan analisis siklus otto akan didapatkan nilai-nilai tekanan dan volume tiap titik kerja, effiseiensi otto, mean effective pressure, dan nilai energi yang dihasilkan dalam satu siklus. Dalam penelitian analisis yang dilakukan untuk mendapatkan nilai tersebut adalah dengan menganaisis dari 2 jenis bahan bakar, yaitu bensin dan biogas, dengan 4 jenis variasi rasio kompresi yatu rasio kompresi 7.6, rasio kompresi 8.3(standar) , rasio kompresi 9, dan rasio kompresi 10. Untuk jenis bahan bakar bensin hanya dilakukan analisis siklus otto untuk jenis variasi ratio kompresi yang standar, sedangakan bahan bakar biogas dilakukan analisis dengan 4 variasi ratio komprsi. Perlunya peng-inputan data-data standarisasi (Lampiran 3) untuk melakukan analisis siklus otto. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan nilai output yang mendekati dengan kenyataan. Selain itu perlunya idealisasi standar, seperti : fluida yang bekerja sepenuhnya dilakukan oleh udara sehingga dianggap gas ideal dengan nilai kalor yang konstan, proses kompresi dan ekspansi berlangsung secara isentropic, proses pembakaran dianggap proses pemanasan fluida, pada akhir ekspansi (mendekati titik mati atas) tekanan dan temperatur melakukan proses pendingan dan nilai menurun mendekati tekanan dan temperatur atmosfer. Perubahan gerakan piston tiap titik siklus menyebabkan peningkatan nilai tekanan, volume, serta temperature mulai dari intake hingga exhaust. Pada siklus titik 2-3 yaitu proses dimana terjadi pembakaran pada volume konstan (isokhorik), campuran udara dan bahan bakar dinyalakan dengan bunga api menyebabkan adanya peningkatan nilai tekanan dan temperature secara signifikan.

27

Hasil analasis hasil tiap siklus otto (Lampiran 4) akan didapatkan nilai efisiensie, dan nilai energi yang akan dihasilkan. Nilai tersebut menjadi pertimbangan dalam pengujian bahan bakar biogas di dalam motor bensin. Tabel 11. Nilai Efisiensi otto, work out, dan mean effective pressure (mep) pada analisis siklus otto Bensin Biogas Standar CR 7.6 CR 8 CR 9 CR 10 8.304 7.662 8.304 9.037 10.083 rc (rasio kompresi) 0.571 0.457 0.470 0.483 0.500 ɳotto (efisiensi otto) kJ 0.304 0.100 0.102 0.104 0.106 Wout (Kerja yang dikeluarkan) kN/m2 2837.1 935.4 950.9 967.0. 987.6 Imep ( Indicated Mean Efective Pressure) Semakin tinggi nilai ratio kompresi maka nilai efisiensi otto semakin besar terlihat dalam Tabel 11. Hal itu menyebabkan hasil kerja atau usaha yang dihasilkan menjadi meningkat dari nilai standar rasio kompresi. Dengan adanya variasi rasio kompresi terdapat kemungkinan adanya peningkatkan daya motor yang menggunakan bahan bakar biogas.

4.2. Analisis Modifikasi Karburator Bensin untuk Penggunaan Bahan Bakar Biogas Hasil pembakaran yang efisien dan optimal pada karburator ditentukan oleh komposisi pemasukan bahan bakar dan udara yang tepat. Umumnya jenis karburator bensin memiliki rasio pemasukan bahan bakar sebesar 14.7: 1. Untuk ukuran karburator standar Honda GX-110 dapat digunakan secara langsung untuk bahan bakar biogas dengan dilakukan modifikasi, karena rasio pemasukan bahan bakar dan udara pada bensin berbeda dengan biogas. Oleh karena itu dilakukan perhitungan dan perubahan karburator dalam kebutuhan bahan bakar biogas agar motor hidup dengan stabil. Analisis stoikiometri didapatkan nilai rasio udara dan bahan bakar adalah 5.7:1. Pada literatur dikatkan bahwa biogas dapat dijalankan pada motor bakar dengan rasio perbandingan udara dan biogas lebih besar dari 1.5, hal tersebut disesuaikan dengan kandungan metana pada biogas. (Mitzlaff,K 2008). Hasil perhitungan rasio perbandingan bahan bakar biogas dan udara menunjukan bahwa modifikasi diperlukan untuk merubah supply bahan bakar pada karburator standar Honda GX-110. Modifikasi yang dilakukan hanya dilakukan pada lubang lubang pemasukan bahan bakar dan lubang pemasukan udara terlihat pada Gambar 18, hal ini lakukan untuk menurunkan nilai rasio pencampuran bahan bakar dan udara dari 14.7:1 menjadi 5.7:1. Penurunan rasio pencampuran bahan bakar dapat dilakukan dengan cara memperbesar ukuran lubang pemasukan bahan bakar (orifice) dan memperkecil ukuran lubang pemasukan udara (choke). Pembesaran lubang deperlukan pelepasan-pelapasan komponen karburator (Gambar 19), yaitu ruang pelampung (float chamber), pelampung (float), jarum pengabut (jet needle), pengabut stationer (slow jet), dan pengabut utama (main jet). Biogas tidak membutuhkan adanya komponen pelampung pada karburator bensin, karena biogas bukan berbentuk cair melainkan gas.

28

(a) (b) Gambar 18. Karburator (a) sebelum dimodifikasi dan (b) sudah dimodifikasi

a

b c

d e f g Karburator Standar Karburator Modifikasi Gambar 19. Komponen karburator yang dimodifikasi (a) selang bensin, (b) venturi bottleneck, (c) pilot jet, (d) main jet, (e) pelampung, (f) mangkok, dan (g) selang biogas Pelepaskan main jet menyebabkan lubang pemasukan bahan bakar menjadi lebih besar dibandingan dengan sebelumnya. Untuk memastikannya maka dilakukan pengukuran manual, ukuran lubang pemasukan bahan bakar dapat dilakukan dengan mengukur ujung pilot jet pada Gambar 20.

Gambar 20. Pengukuran lubang pengeluaran bahan bakar (pilot jet)

29

Hasil ukuran diameter lubang pengeluaran bahan bakar (pilot jet) adalah sebesar 3.9 mm dan diameter lubang pencampuran (venturi bottleneck) sebesar 19.9 mm, hasil perbandingan diameter antara diameter pilot jet dan venturi bottleneck adalah 0.19. Agar menghasilkan pencampuran antara biogas dan udara menjadi 1:5.7 dilakukan pendekatan kurva venturi mixers untuk biogas (Mitzlaff 1988) pada Gambar 21 dan dilakukannya simulasi CFD. Pendekatan kurva mendapatkan hasil perbandingan diameter pilot jet dan venturi bottleneck harus sebesar 0.57 dengan asumsi kecepatan udara masuk sebesar 120 m/s dan kecepatan masuk biogas 40 m/s. Hasil perbandingan diameter aktual lebih kecil dibandingkan hasil dari pendekatan kurva, untuk pendekatan secara teoritis maka dilakukan pengecilan bukaan choke sebesar 1/3 dari bukaan penuh atau 300 dari bukaan tertutup (Gambar 22). di/dv cv=100 m/s cv=120 m/s cv=150 m/s

Keterangan : di = diameter pemasukan dv= diameter pencampuran ci = kecepatan biogas cv= kecepatan udara

Gambar 21.

Kurva perancangan perbandingan diameter pemasukan (pilot jet) dan diameter pencampuran (venturi bottleneck) karburator (Mitzlaff 1988).

Gambar 22. Pengaturan ukuran lubang pemasukan udara (choke) Simulasi CFD dilakukan untuk melihat kontur campuran biogas dan udara dari pendekatan hasil teoritis dengan pengecilan bukaan choke. Pendekatan simulasi dilakukan dengan cara penginputan data input tekanan atmosfer sebesar 101325 Pa pada lubang inlet biogas dan inlet udara, selanjutnya data output debit sebesar 0.004626 m3/s (RC 7.6), 0.004575 m3/s (RC 8.0), 0.004522 m3/s (RC 9.0), dan 0.004465 (RC 10.0). (Lampiran 5) diletakan pada lubang penghubung antara karburator dan kepala

30

silinder atau disebut manifold connection. Simulasi computation fluid dynamic (CFD) dilakukan dengan bukaan choke 900, 450, 300, 250, dan 150 dari bukaan tertutup. Pendekatan simulasi CFD menghasilkan kontur percampuran volume biogas dengan udara Gambar 23 dan Gambar 24.

Gambar 23. Fraksi volume campuran biogas dan udara terhadap perubahan bukaan choke pada karburator modifikasi dengan simulasi CFD (tampak atas)

Gambar 24. Fraksi volume campuran biogas dan udara terhadap perubahan bukaan choke pada karburator modifikasi dengan simulasi CFD (tampak samping) Hasil dari kontur simulasi CFD menunjukan percampuran biogas yang paling baik dan merata terjadi pada bukaan choke 250 (27% dari bukaan penuh) dengan hasil rata-rata campuran 0.15-0.23. Pendekatan simulasi CFD mendekati dari hasil pencampuran teoritis sebesar 0.149. Uji fungsional dari

31

karburator modifikasi yang menggunakan bukaan choke 250 mendapatkan hasil performa yang baik dengan putaran dari 1500 - 4500 rpm dengan keadaaan stabil pada rasio kompresi 8.3. Pencampuran biogas sangat dipengaruhi oleh kecepatan dan tekanan aliran dalam ruang karburator, selain itu faktor lain yang mempengaruhi adalah debit intake tiap motor bensin yang semakin besar apabila kapasitas ruang pembakaran lebih besar. Pengecilan bukaan choke yang dilakukan pada karburator modifikasi sangat mempengaruhi tekanan pada ruang karburator (Gambar 25) sehingga kecepatan aliran yang dihasilkan tepat dalam melakukan pencampuran (Gambar 26).

Gambar 25. Tekanan dalam ruang pada bukaan choke 250 karburator modifikasi dengan simulasi CFD

Gambar 26. Kecepatan aliran pada bukaan choke 250 karburator modifikasi dengan simulasi CFD Pada hasil simulasi CFD menunjukan pencampuran biogas dan udara dapat berlangsung dengan tepat apabila kecepatan di daerah lubang pencampuran (venture bottleneck) lebih kecil dibandingkan di daerah inlet biogas, apabila kecepatan inlet biogas lebih kecil dibandingkan di daerah pencampuran maka tidak akan terjadi pencampuran secara merata hingga ke seluruh daerah manifold connection. Bukaan choke sangat mempengaruhi kecepatan di daerah inlet biogas, semakin besar bukaan choke semakin kecil kecepatan di daerah inlet biogas (Lampiran 6). Kecepatan di daerah percampuran selalu

32

konstan dengan kecepatan 18-22 m/s, sedangkan kecepatan di daerah inlet biogas akan semakin besar seiring pengecilan bukaan choke dari bukaan penuh. Pada karburator modifikasi dengan bukaan choke 250 kecepatan inlet biogas adalah 54.26-58.89 m/s. Percampuran yang merata menyebabkan adanya percampuran massa jenis di ruang karburator modifikasi dengan bukaan choke 250 (Gambar 27). Massa jenis biogas sebesar 1.16 kg/m 3 yang bercampur dengan massa jenis udara sebesar 1.20 kg/m3 menghasilkan percampuran massa jenis ratarata di daerah manifold connection sebesar 1.18 kg/m3.

Gambar 27. Massa jenis pencampuran biogas dan udara pada bukaan choke 250 karburator modifikasi dengan simulasi CFD

4.3. Analisis Hasil Uji Performasi Motor Bensin yang Menggunakan Bahan Bakar Biogas Uji performasi pada motor bakar adalah cara mengetahui tingkat daya dan torsi yang dihasilkan oleh motor bakar,serta efisiensi kebutuhan bahan bakar yang digunakan pada motor bakar. Pengujian dilakukan dengan dua metode yang berbeda, untuk pengujian tingkat daya dan torsi dilakukan dengan cara menggunakan alat dynamometer dan pengujian efisiensi kebutuhan bahan bakar biogas dilakukan dengan cara menggunakan alat pengukur debit digital. Uji performansi dilakukan dengan variasi rasio kompresi yang berbeda dengan jenis bahan bakar biogas. Pengujian dilakukan sebanyak 3 kali pengulangan setiap perlakuan. Perlunya dilakukan sortir data yang didapatkan dari data uji dynamometer, karena hasil data uji memiliki titik pengukuran yang sangat banyak. Selain itu keputusan data yang akan digunakan dengan cara pengambilan data pengulangan yang memiliki hasil grafik yang stabil serta nilai torsi dan daya yang maksimal. Pengujian performansi motor bensin dengan bahan bakar bensin dalam keadaan rasio kompresi standar sebagai pembandingan hasil performansi motor bensin yang menggunaka bahan bakar biogas. Hal tersebut dilakukan untuk sebagai patokan pengukuran seberapa besar terjadinya kehilangan energi saat proses pembakaran atau combustion di tiap proses variasi rasio kompresi yang menggunakan bahan bakar biogas.

33

4.3.1. Pengujian bahan bakar bensin dengan variasi rasio kompresi 8.3 Pada pengujian menggunakan bahan bakar bensin di motor bensin yang pertama terlihat pada grafik Gambar 28 dengan pengambilan data dimulai pada putaran mesin diatas 4000 rpm. Data grafik menunjukan daya maksimal terletak pada titik saat putaran mesin RPM 3567 dengan nilai 2.116 kW. Penampilan data torsi maksimum dapat terlihat dari pengereman yang dilakukan alat dinamometer hingga putaran mesin mendekati nilai 1500 rpm, titik kritis atau titik maksimum terjadi saat terjadinya penurunan kurva torsi selama pengereman berlangsung. Grafik uji 1 menunjukan nilai torsi maksimum terjadi pada putaran mesin RPM 1937 dengan nilai 6.418 N.m. 2.5

7 6

2 1.5

4

1

3

Torsi (N.m)

Daya (kW)

5

2 0.5 0 1000

Tenaga (kW)

1

Torsi (Nm)

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 4500

Putaran Mesin (rpm) Gambar 28. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar bensin pada rasio kompresi 8.3 uji 1.

2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1000

7 6 5 4 3

Torsi (N.m)

Daya (kW)

Pengujian kedua performansi motor bakar menggunakan bahan bakar bensin dengan variasi rasio kompresi standar 8.3 menunjukan adanya penurunan nilai daya dan torsi, hal tersebut terlihat pada grafik Gambar 29. Data grafik pengujian kedua memiliki bentuk kurva yang sama dengan pengujian pertama, walaupun nilai mengami penurunan dari pengujian pertama. Pada pengujian kedua didapatkan daya maksimum terjadi pada putaran mesin 3491 rpm dengan nilai 1.865 kW, sedangkan torsi maksimum terjadi pada putaran mesin 2079 rpm dengan nilai 6.352 N.m.

2 Tenaga (kW)

1

Torsi (Nm)

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 4500

Putaran Mesin (rpm) Gambar 29. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar bensin pada rasio kompresi 8.3 uji 2

34

Data pengujian ketiga penggunaan bahan bakar bensin dengan variasi rasio kompresi 8.3 menunjukan terjadinya penurunan dari pengujian kedua dan pertama. Data tersebut menunjukan adanya penurunan kinerja motor bakar saat pengujian berlangsung, hal ini disebabkan pengujian dilakukan secara kontinuitas tanpa adanya perbaikan atau pengistirahatan motor bakar. Daya maksimum dilihatkan oleh grafik Gambar 30 menunjukan pada putaran mesin 3593 rpm dengan nilai 1.642 kW, selain itu torsi maksimum ditunjukan pada putaran mesin 1926 rpm dengan nilai 6.058 N.m. 1.8

7

1.6

6 5

1.2

1

4

0.8

3

0.6

2

0.4 0.2 0 1000

Torsi (N.m)

Daya (kW)

1.4

1

Tenaga (kW)

Torsi (Nm)

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 4500

Putaran Mesin (rpm) Gambar 30. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar bensin pada rasio kompresi 8.3 uji 3 Data pengujian bahan bakar bensin dengan rasio kompresi 8.3 (Lampiran 7) menunjukan bahwa daya maksimum berada diantara nilai 1.642 kW hingga 2.116 kW dan torsi maksimum berada diantara nilai 6.058 N.m hingga 6.418 N.m. Data spesifikasi menurut Honda, Ltd (1986) yang menyebutkan nilai daya maksimum Honda GX 110 terjadi pada putaran mesin 3600 rpm dengan nilai 2.6 kW sedangkan torsi terjadi pada putaran mesin 2800 rpm dengan nilai 7.02 N.m. Perbandingan data tersebut menunjukan bahwa ada terjadinya penurunan kinerja motor bakar GX-110 yang digunakan saat penelitian. Faktor tersebut bisa terjadi adanya kerusakan komponen dalam dan umur penggunaan motor bakar yang sudah lama, walaupun sebelumnya telah dilakukannya beberapa perbaikan beberapa komponen dalam pada motor bakar Honda GX-110. 4.3.2. Pengujian bahan bakar biogas dengan variasi rasio kompresi 7.6 Pengujian pertama performansi pada bahan bakar biogas dengan nilai rasio kompresi 7.6 dapat dilihat pada Gambar 31, dari grafik dapat terlihat torsi naik mengikuti turunnya putaran mesin karena terdapat pembebanan saat pengereman pada alat dynamometer water brake. Kenaikan torsi berhenti pada titik 1332 rpm dengan nilai 3.567 N.m selanjutnya motor langsung berhenti beroperasi karena motor tidak mampu menahan pembebanan maksimum dengan nilai putaran mesin medekati 1000 rpm. Disisi lain kenaikan daya terjadi secara signifikan dan mengalami penurunan setelah melewati 2854 rpm, saat itu terjadinya daya maksimum dengan nilai 0.639 kW.

35

0.7

4.000

0.6

3.500

Daya (kW)

2.500

0.4

2.000

0.3

1.500

0.2 0.1 0 1000

Torsi (N.m)

3.000

0.5

1.000 Tenaga (kW)

0.500

Torsi (N.m)

1500

2000

2500

3000

0.000 3500

Putaran Mesin (rpm) Gambar 31. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 7.6 uji 1

0.9

4.5

0.8

4.0

0.7

3.5

0.6

3.0

0.5

2.5

0.4

2.0

0.3

1.5

0.2 0.1 0 1000

Torsi (N.m)

Daya (kW)

Hasil grafik pengujian kedua pada Gambar 32. didapatkan daya maksimum terjadi pada putaran mesin 3115 rpm sebesar 0.827 kW. Torsi maksimal terjadi pada 1671 rpm dengan nilai sebesar 4.073 N.m. Peningkatan daya yang terjadi pada pengujian kedua mempengaruhi kenaikan torsi dibandingakan pengujian pertama. Pengujian kedua lebih baik karena motor tidak mengalami berhentinya operasi saat torsi maksimum, melainkan terjadinya penurunan nilai torsi.

1.0 Tenaga (kW)

0.5

Torsi (N.m)

1500

2000

2500

3000

3500

0.0 4000

Putaran Mesin (rpm) Gambar 32. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 7.6 uji 2 Pengujian ketiga dengan variasi rasio kompresi 7.6 dilihat dari Gambar 33, terjadi penurunan daya dan torsi yang sangat berbeda dengan pengujian 1 dan 2. Daya maksimal terjadi pada titik putaran mesin pada 2170 rpm dengan nilai 0.650 kW dan nilai Torsi maksimal bernilai 3.201 N.m pada saat putaran mesin dengan 1770 rpm. Pada pengujian ketiga sama halnya dengan pengujian kedua karena mesin tidak mengalami berhentinya operasi saat nilai torsi maksimum

36

3.5

0.6

3.0

0.5

2.5

0.4

2.0

0.3

1.5

0.2

1.0

0.1 0 1000

Tenaga (kW)

0.5

Torsi (N.m)

1500

Torsi (N.m)

Daya (kW)

0.7

2000

2500

3000

3500

0.0 4000

Putaran Mesin (rpm) Gambar 33. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 7.6 uji 3 Data pengujian dengan variasi nilai rasio kompresi 7.6 (Lampiran 8) memiliki nilai daya dengan kisaran antara 0.639 kW hingga 0.827 kW dan nilai torsi dengan kisaran antara 2.371 N.m hingga 3.071 N.m. Nilai daya dan torsi yang terjadi pada tiap pengujian mengalami perbeda-bedaan, hal ini dikarenakan komposisi dan lama penyimpanan kantong biogas yang digunakan dalam pengujian berbeda-beda, selain itu faktor panas mesin saat pengujian juga mempengaruhi nilai kinerja yang dihasilkan.

0.8

4.5

0.7

4

0.6

3.5 3

0.5

2.5

0.4

2

0.3

1.5

0.2 0.1 0 1000

1

Tenaga (kW)

0.5

Torsi (N.m)

1500

Torsi (N.m)

Daya (kW)

4.3.3. Pengujian bahan bakar biogas dengan variasi rasio kompresi 8.3 Pada pengujian 1 performansi pada motor bakar berbahan bakar biogas dengan variasi rasio kompresi 8.3 dapat terlihat pada Gambar 34. Grafik yang ditampilkan menunjukan nilai RPM maksimal saat awal pengujian lebih baik dibandingakan dengan variasi rasio kompresi 7.6 yaitu lebih dari 3500 rpm. Hal tersebut mempengaruhi nilai performansi yang dihasilkan, sehingga terjadinya peningkatan nilai daya dan torsi yang dihasilkan. Pada pengujian pertama didapatkan nilai daya maksimum dengan nilai 0.710 kW pada titik putaran mesin 3239 rpm. Data torsi maksimal didapat pada putaran mesin menunjukan 1401 rpm dengan nilai sebesar 3.911 N.m.

2000

2500

3000

3500

0 4000

Putaran Mesin (rpm) Gambar 34. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 8.3 uji 1

37

Hasil pengambilan data uji kedua pada variasi rasio kompresi 8.3 ditunjukan grafik pada Gambar 35, nilai daya dan torsi maksimum yang ditunjukan terjadi pada putaran mesin yang hampir sama dengan uji pertama. Daya maksimum bernilai 0.953 kW saat putaran mesin 3342 rpm, sedangkan torsi maksimum bernilai 4.274 N.m saat putaran mesin 1402 rpm. Pada uji kedua nilai daya dan torsi lebih besar dibandingkan saat pengujian pertama. 1.2

4.5 4 3.5

0.8

3 2.5

0.6

2

0.4 0.2 0 1000

1.5

Torsi (N.m)

Daya (kW)

1

1 Tenaga (kW)

0.5

Torsi (Nm)

1500

2000

2500

3000

3500

0 4000

Putaran Mesin (rpm) Gambar 35. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 8.3 uji 2.

1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1000

4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5

Torsi (N.m)

Daya (kW)

Grafik hasil pengujian ketiga pada variasi rasio kompresi 8.3 ditunjukan pada Gambar 36. Pada grafik terlihat titik maksimum masih terjadi pada nilai putaran mesin yang sama dengan pengujian 1 dan 2. Daya maksimum terjadi pada saat putaran mesin di titik 3334 rpm dengan nilai 0.863 kW. Peningkatan torsi berlangsung lebih lama hingga pengereman terjadi pada putaran mesin di titik 1387 rpm dengan nilai maksimum 3.644 N.m.

1.0 Tenaga (kW)

0.5

Torsi (N.m)

1500

2000

2500

3000

3500

0.0 4000

Putaran Mesin (RPM) Gambar 36. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 8.3 uji 3 Pada data pengujian performansi atau prestasi motor bensin berbahan bakar biogas dengan variasi rasio kompresi 8.3 (Lampiran 9) memiliki nilai daya dan torsi maksimum yang tidak jauh berbeda antara uji 1, 2 , dan 3. Pada rasio kompresi 8.3 daya dan torsi maksimum terjadi pada titik putaran mesin yang mendekati. Hasil pengujian menunjukan daya maksimum terjadi diantara nilai

38

0.710 kW hingga 0.953 kW, sedangkan torsi maksimum terjadi diantara nilai 3.644 N.m hingga 4.274 N.m.

0.8

4.000

0.7

3.500

0.6

3.000

0.5

2.500

0.4

2.000

0.3

1.500

0.2 0.1 0 1000

Torsi (N.m)

Daya (kW)

4.3.4. Pengujian bahan bakar biogas dengan variasi rasio kompresi 9.0 Grafik uji pertama motor bakar dengan variasi rasio kompresi 9.0 yang menggunakan bahan bakar biogas ditunjukan pada Gambar 37, dari grafik terlihat penurunan nilai daya dan torsi dari pengujian sebelumnya dengan variasi rasio kompresi 8.3. Pada pengujian pertama daya maksimal terjadi pada putaran mesin 3259 rpm dengan nilai 0.681 kW, sedangkan nilai torsi maksimum terjadi pada putaran mesin 1294 rpm dengan nilai 3.587 N.m.

1.000 Tenaga (kW)

0.500

Torsi (N.m)

1500

2000

2500

3000

3500

0.000 4000

Putaran Mesin (rpm) Gambar 37. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 9 uji 1.

0.9

4.000

0.8

3.500

0.7

3.000

0.6

2.500

0.5

2.000

0.4

1.500

0.3 0.2

Tenaga (kW)

0.1

Torsi (N.m)

0 1000

1500

Torsi (N.m)

Daya (kW)

Data pengujian kedua terlihat pada grafik yang ditunjukan pada Gambar 38, daya dan torsi mengalami peningkatan dari pengujian pertama. Grafik menunjukan daya maksimum terjadi saat putaran mesin 3314 rpm dengan nilai 0.838 kW, sedangkan torsi maksimum terjadi saat putaran mesin RPM 1574 dengan nilai 3.367 N.m. Peningkatan daya dan torsi yang terlihat berbeda dengan pengujian pertama disebabkan adanya pergantian kantong biogas saat pengujian kedua, hal ini adanya kemungkinan komposisi nilai kalor yang berbeda.

1.000 0.500 2000

2500

3000

3500

0.000 4000

Putaran Mesin (rpm) Gambar 38. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 9 uji 2.

39

0.9

4.000

0.8

3.500

0.7

3.000

0.6

2.500

0.5

2.000

0.4

1.500

0.3 0.2

Tenaga (kW)

0.1

Torsi (N.m)

0 1000

1500

Torsi (N.m)

Daya (kW)

Pengujian ketiga terlihat di grafik pada Gambar 39, grafik uji menunjukan nilai daya dan torsi hampir sama dengan pengujian kedua, karena menggunakan kantong yang sama dengan pengujian kedua. Pengujian ini mendapatkan nilai daya maksimum terjadi pada putaran mesin 3165 rpm dengan nilai 0.831 kW, sedangkan nilai torsi maksumum terjadi pada putaran mesin 1647 rpm dengan nilai 3.598 N.m.

1.000 0.500

2000

2500

3000

3500

4000

0.000 4500

Putaran Mesin (RPM) Gambar 39. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 9 uji 3. Grafik-grafik pengujian pada variasi rasio kompresi 9.0 (Lampiran 10) menunjukan nilai daya dan torsi mengalami penurunan dari pengujian sebelumnya menggunakan variasi rasio kompresi 8.3. Daya maksimum untuk variasi rasio kompresi diantara nilai 0.681 kW hingga 0.838 kW, sedangkan torsi maksimum diantara nilai 3.367 N.m hingga 3.598 N.m. 4.3.5. Pengujian bahan bakar biogas dengan variasi rasio kompresi 10.0 Rasio kompresi 10 adalah tingkat variasi rasio kompresi tertinggi yang dilakukan. Pada pengujian pertama terlihat dari grafik Gambar 40 menunjukan adanya penurunan daya dan peningkatan torsi. Daya maksimum yang didapat saat pengujian pertama terletak pada titik putaran mesin 2486 rpm dengan nilai 0.679 kW sedangkan torsi maksimum terjadi pada putaran mesin 1114 rpm dengan nilai 4.074 N.m. Grafik memperlihatkan pengujian performansi motor bensin berbahan bakar biogas dengan variasi rasio kompresi 10 mengalami penurunan dari pengujian dengan variasi rasio kompresi 9. Penurunan nilai putaran mesin saat awal pengambilan data pengujian sangat mempengaruhi kinerja motor.

40

4.5

0.7

4

0.6

3.5 3

0.5

2.5

0.4

2

0.3

1.5

0.2 0.1 0 1000

1

Tenaga (kW)

0.5

Torsi (N.m)

1500

Torsi (N.m)

Daya (kW)

0.8

2000

2500

3000

0 3500

Putaran Mesin (RPM) Gambar 40. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 10 uji 1.

0.9

4

0.8

3.5

0.7

3

0.6

2.5

0.5

2

0.4

1.5

0.3 0.2 0.1 0 1000

Torsi (N.m)

Daya (kW)

Pengujian kedua terdapat perubahan bentuk kurva grafik terlihat di Gambar 41, hal ini diakibatkan adanya pergantian kantong biogas yang digunakan saat uji performansi. Grafik menunjukan daya maksimum terjadi pada titik awal pengujian saat putaran mesin 3294 rpm dengan nilai 0.764 kW, hasil menunjukan adanya peningkatan dari pengujian pertama. Torsi yang mengalami penurunan saat pengujian kedua, torsi maksimum terjadi pada tiitik putaran mesin 1498 rpm dengan nilai 3.530 N.m.

1 Tenaga (kW)

0.5

Torsi (N.m)

1500

2000

2500

3000

0 3500

Putaran Mesin (RPM) Gambar 41. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 10 uji 2 Grafik uji ketiga pada performansi motor bakar dengan variasi rasio kompresi 10 ditunjukan pada Gambar 42. Grafik uji ketiga menunjukan adanya penurunan kinerja motor bakar, hal ini disebabkan adanya daya yang hilang dalam bentuk panas sehingga kemampuan motor bakar mengatasi beban menjadi berkurang. Daya maksimum sebesar 0.652 kW pada saat putaran mesin mencapai nilai 2184 rpm, sedangkan torsi maksimum yang didapatkan sebesar 3.582 N.m pada saat putaran mesin mencapai nilai 1391 rpm.

41

0.7

4

0.6

3.5

Daya (kW)

2.5

0.4

2

0.3

1.5

0.2

1 Tenaga (kW)

0.1

0.5

Torsi (N.m)

0 1000

Torsi (N.m)

3

0.5

1500

2000

2500

3000

0 4000

3500

Putaran Mesin (RPM) Gambar 42. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 10 uji 3 Pengujian prestasi atau performansi motor bensin berbahan bakar biogas dengan variasi rasio kompresi 10 (Lampiran 11) memiliki jenis kurva yang berbeda pada tiap pengujian, hal ini bisa disebabkan adanya energi yang hilang dalam bentuk panas. Kinerja saat rasio kompresi 10 menghasilkan nilai energi yang terbuang dalam bentuk panas sehingga motor bensin cepat terjadinya pemanasan setiap pengujian. Hal tersebut sangat mempengaruhi nilai uji performansi setiap pengujian. Pengujian dengan variasi rasio kompresi 10 menujukan daya maksimum terjadi diantara nilai 0.652 kW hingga 0.764 kW dan torsi maksimum terjadi diantara nilai 3.530 N.m hingga 4.074 N.m. 4.3.6. Perbandingan performansi antara pengujian bahan bakar biogas dengan variasi rasio kompresi Hasil pengujian bahan bakar biogas dengan variasi rasio kompresi dari 7.6 hingga 10 yang dihasilkan adanya peningkatan dan penurunan nilai daya dan torsi berturut-turut terlihat pada grafik Gambar 43 dan 44. Penelitian Mitzlaff K (1988) mengatakan bahwa rekomendasi variasi ratio kompresi yang digunakan untuk bahan bakar metana (CH4) dan gas adalah antara 10 hingga 12. Pada grafik tidak terlihat adanya peningkatan hingga ratio kompresi 10, melainkan hanya terjadi hingga rasio kompresi 8.3, hal ini bisa terjadi oleh komposisi biogas yang digunakan hanya memiliki kadar metana diantara 55%-65%. 1.2

Daya (kW)

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 RC 7.6

RC 8.3

RC 9.0

RC 10.0

Rasio Kompresi Gambar 43. Grafik perbandingan nilai daya tiap variabel rasio kompresi

42

4.400 Torsi (N.m)

4.200 4.000 3.800 3.600 3.400 3.200 RC 7.6

RC 8.3

RC 9.0

RC 10.0

Rasio Kompresi Gambar 44. Grafik perbandingan nilai torsi tiap variable rasio kompresi Pengujian performansi setiap variasi rasio kompresi pada bahan bakar biogas mengalami perubahan-perbedaan terlihat jelas. Hal ini bisa disebabkan adanya performansi motor bensin yang menurun dari standar yang ditetapkan. Performansi yang menurun tersebut dapat dibuktikan pada pengujian-pengujian yang dilakukan saat menggunakan bahan bakar bensin. Motor bensin yang masih keadaan panas saat dilakukan pengujian sangat mempengaruhi nilai daya dan torsi yang dihasilkan, hal tersebut terlihat dari data uji yang memiliki nilai yang berbeda antara pengujian 1, 2, dan 3. Hasil uji prestasi biogas bila dibandingkan dengan bahan bakar bensin pada motor bakar yang digunakan saat pengujian, menunjukan adanya penurunan prestasi (performance). Pada bahan bakar bensin yang diuji dengan kompresi ratio 8.3 menunjukan nilai daya makismum terjadi pada pengujian pertama dengan nilai 1.865 kW saat putaran mesin 3491 rpm dan nilai torsi maksimum terjadi pada putaran mesin 1937 rpm dengan nilai 6.418 N.m. Bila dibandingkan dengan bahan bakar biogas dengan rasio kompresi 8.3 menunjukan nilai daya maksimum dan torsi maksumum terjadi pada pengujian II, daya maksimum bernilai 0.953 kW saat putaran mesin 3342 rpm dan torsi maksimum bernilai 4.274 N.m saat putaran mesin 1402 rpm. Data-data pengujian bahan bakar bensin ke biogas tersebut menunjukan adanya penurunan daya sebesar 54.97% dan torsi sebesar 33.41%. Hal ini bisa disebabkan adanya perbedaan nilai kalor dari masing-masing bahan bakar, nilai kalor bensin adalah 43 MJ/kg sedangkan biogas adalah 18 MJ/kg. Nilai daya yang hilang bisa saja disebabkan oleh sifat mekanis dalam proses gerak serta pembuangan energi dalam bentuk panas. Nilai energi yang terbuang terlihat pada saluran gas buang (exhaust), penggunaan bahan bakar biogas terlihat adanya pemanasan lebih cepat dibandingkan bensin hal ini ditunjukan pada Gambar 45.

Gambar 45. Pemanasan element yang lebih cepat pada saluran exhaust dengan penggunaan bahan bakar biogas

43

Pada pengujian terlihat nilai putaran motor maksimum terjadi pada variasi rasio kompresi 9 namum grafik menunjukan ada penurunan daya, hal ini disebabkan adanya perbedaan kecepatan penyalaan busi. Biogas memiliki kecepatan pembakaran yang lambat sebesar 290 m/s dibandingkan dengan bensin (Kapdi dkk, 2006) sebagai konsekuensinya penyalaannya harus lebih awal dari sudut penyalaan bensin. Hal ini perlu dilakukan agar ledakan atau ekspansi gas terjadi pada saat piston telah mencapai titik mati atas setelah langkah kompresi. Jika waktu penyalaan disamakan dengan waktu penyalaan bahan bakar bensin, maka ledakan yang terjadi akan terlambat. Hal ini berdampak pada ketidakmaksimalan daya yang dihasilkan. Bahkan jika terlalu terlambat, maka ledakan bisa terjadi pada saat piston sedang menuju titik mati atas. Perlunya modifikasi pada timing penyalaan dilakukan untuk penyesuaian penyalaan busi. Perubahan sedikit dari waktu pengapian diharapakan dapat menstabilkan mesin dan meningkatkan daya yang dihasilkan . Penurunan daya pada motor bensin yang menggunakan karburator modifikasi dapat disebabkan oleh percampuran kurang merata di daerah manifold connection. Perbandingan hasil kinerja dengan hasil karburator dari rancang bangun pada penelitian Ade Prisma Pranayuda (2013) dengan rasio kompresi yang sama 8.30 dan spesifikasi motor bensin yang sama Honda GX 110, perbandingan menunjukan karburator modifikasi mengalami percampuran biogas dan udara yang kurang merata (Gambar 46) dan terjadinya penurunan daya yang besar dari pengujian motor bensin yang menggunakan bahan bakar bensin dengan daya sebesar 1.86 kW (Tabel 12).

Karburator Modifikasi Bukaan Choke 250

Karburator Rancang Bangun (Pranayuda Ade P, 2013)

Gambar 46. Perbandingan hasil kontur percampuran biogas dan udara dari karburator modifikasi dan karburator rancang bangun. Tabel 12. Perbandingan daya yang dihasilkan dalam pengujian karburator modifikasi dan karburator rancang bangun dalam pengujian motor bensin dengan menggunakan bahan bajar biogas. Pengujian Daya (kW) Penurunan Daya (%) 0.953 49 % Karburator modifikasi 1.3 30 % Karburator rancang bangun* *)Pranayuda Ade P (2013) Penurunan kinerja motor bensin yang menggunakan bahan bakar biogas bisa juga terjadi akibat adanya uap air yang masih ada dalam kantong biogas. Hal ini dibuktikan pada setiap pengujian kantong biogas yang baru diambil dari digester masih terdapat pengembunan air sepanjang selang penyaluran ke karburator. Adanya uap air ini terjadi karena saat pengambilan tidak menggunakan water trap. Motor bensin yang menggunakan bahan bakar biogas yang baru diambil dari digester terlihat penurunan daya

44

Nilai Efisiensi

yang jauh dibandingkan kantong biogas yang disimpan terlebih dahulu. Penyimpanan biogas dilakukan untuk mengembunkan uap air yang masih terkandung dalam biogas, hal ini dapat mengurangi uap air yang masuk ke dalam motor bensin. Grafik nilai efisiensi mekanis dari kinerja motor bensin yang menggunakan bahan bakar biogas bisa dilihat dari Gambar 47. Pada grafik terlihat nilai rasio kompresi 8.3 memiliki efisiensi mekanis yang lebih baik dibandingkan dengan rasio kompresi yang lain. Nilai efisiensi saat putaran motor 3000 rpm dengan rasio kompresi 7.6, 8.3, 9.0, dan 10.0 berturut-turut adalah 16.78%, 27.24%, 27.06%, dan15.32%. 45.0%

Rasio Kompresi 7.6

40.0%

Rasio Kompresi 8.3

35.0%

Rasio Kompresi 9

30.0%

Rasio Kompresi 10

25.0% 20.0% 15.0% 10.0% 5.0% 0.0% 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Putaran Mesin (RPM) Gambar 47. Grafik nilai efisiensi mekanis terhadap putaran mesin dengan variasi rasio kompresi Hasil optimal pada uji performansi bahan bakar biogas ke dalam motor bensin terjadi pada variasi rasio kompresi 8.3. Hal ini didukung dari nilai efisiensi mekanis dan konstruksi ruang bakar motor bensin yang sudah dikhususkan untuk rasio kompresi 8.3. Ruang bakar mempengaruhi nilai turbulensi pada pencampuran bahan bakar saat terjadinya proses compression dan combustion. Hal tersebut juga bisa menyebabkan adanya kehilangan daya saat peningkatan nilai rasio kompresi.

4.4. Uji Konsumsi Bahan Bakar Spesifik 4.4.1. Persiapan alat ukur Biogas adalah bahan bakar berwujud gas, oleh karena itu pengukuran konsumsi bahan bakar tidak seperti bensin atau bahan bakar lainnya. Sifat fisik bahan bakar biogas yang memiliki nilai spesifik grafity dibawah udara menyebabkan tidak dapat menggunakan metode penimbangan. Hal tersebut mewujudkan adanya pembuatan alat ukur debit biogas dengan hasil output berupa tekanan (Pa) dan debit (l/min). Alat ini dibuat menggunakan prinsip venturi untuk mendapatkan nilai debit. Alat pengukur debit biogas dibuat dengan menggunakan sensor perbedaan tekenan MPX5050dp dan Mikrokontroler ATmega 8535 sehingga dapat diubah ke nilai debit menggunakan persamaan venturi dengan skema pemograman pada Lampiran 12. Untuk validasi dan kalibrasi debit pengukuran bahan bakar biogas dapat menggunakan flow meter udara (densitas 1.2 kg/m3), hal tersebut dikarenakan nilai densitas biogas hamper mendekati udara. Flow meter udara akan disambungkan secara langsung dengan lubang output, dan lubang input dialirkannya udara dari kompresor. Cari ini menghasilkan nilai validasi dan kalibrasi yang ditunjukan pada Gambar 48 dengan nilai regresi 0.9947, nilai tersebut sudah

45

mendekati kebenaran. Nilai persamaan dari regresi yang telah diinverskan (Lampiran 13) diinputkan kedalam input pemograman alat ukur sebagai output nilai debit sehingga alat dapat mengukur secara langsung nilai debit dengan satuan liter per menit yang terlihat pada Gambar 49. Perwujudan dari alat ukur debit biogas ditampilkan pada Gambar 50 dengan detail gambar pada Lampiran 14. 2100.00 y = 0.4682x2 + 4.3391x + 1802.6 R² = 0.9947

Tekanan (Pa)

2050.00 2000.00

Rata-rata

1950.00

Ulangan 1

1900.00

Ulangan 2

1850.00

Ulangan 3

1800.00

Poly. (Rata-rata)

1750.00

0

5

10

15

20

25

Debit (l/min) Gambar 48. Grafik validasi hubungan antara tekanan dan debit

Gambar 49. Tampilan layar LCD pada alat ukur ventury digital

Gambar 50. Alat ukur debit biogas

46

4.4.2. Pengujian dan pengambilan data konsumsi bahan biogas Pengujian konsumsi bahan bakar dilakukan dengan cara menghubungkan selang input biogas ke alat ukur dan disalurkan ke motor bensin melalui lubang output (Gambar 51). Pengambilan data dilakukan dengan cara mengukur debit yang disuplai tiap rasio kompresi dengan batasan-batasan pembebanan yang telah ditentukan.

a

b

Gambar 51. Pemasangan alat ukur venturi digital, (a) input dan (b) output

Hasil debit yang dihasilkan saat pengujian bahan bakar biogas yang dialirkan ke dalam motor bensin didapatkan data debit yang meningkat seiring dengan peningkatan pembebanan. Grafik pada Gambar 52 menunjukan bahwa debit konsumsi bahan bakar yang terbesar adalah nilai rasio kompresi 7.6 yaitu 3.42 m3/h saat putaran mesin 3500 rpm, sedangkan konsumsi yang terendah adalah nilai rasio kompresi 9, yaitu 1.08 m3/h saat putaran mesin 1500 rpm. 4 3.5 Debit (m3/h)

3 2.5 Ratio Kompresi 7.6 Ratio Kompresi 8.3 Ratio Kompresi 9

2 1.5 1

0.5 0 0

1000

2000

3000

4000

5000

Putaran Mesin (RPM) Gambar 52. Grafik hubungan debit dan putaran mesin pada pengujian konsumsi bahan bakar

Konsumsi bahan bakar spesifik akan didapatkan setelah data debit dan daya dalam putaran mesin yang sama diinputkan kedalam rumus sfc (spesific fuel consumption) pada persamaaan 18. Hasil dari penghitungan data input mendapatkan data sfc yang ditampilakan pada Gambar 53. Nilai sfc optimal ditunjukan pada kurva terendah, hal tersebut disebabkan pada umumnya semakin sedikit penggunaan bahan bakar semakin baik dalam pengoperasian motor bakar. Nilai bahan bakar spesifik atau sfc (spesific fuel consumption) terendah pada rasio kompresi 7.6, 8.3, 9.0, 10.0 berturut-turut adalah 4.29

47

m3/kWjam, 2.13 m3/kWjam, 1.84 m3/kWjam, dan 2.92 m3/kWjam. Pada grafik menunjukan bahwa nilai sfc yang optimal terjadi pada variasi rasio kompresi 9 saat putaran mesin 2000 rpm dengan nilai 1.84 m3/kWjam. 12.00

SFC (m3/kWjam)

10.00 8.00 Ratio Kompresi 7.6

6.00

Ratio Kompresi 8.3

4.00

Ratio Kompresi 9

2.00

Ratio Kompresi 10

0.00 0

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Putaran Mesin (RPM)

Gambar 53. Grafik hubungan SFC dengan putaran mesin pada pengujian bahan bakar

48

V.

SIMPULAN DAN SARAN

5.1. Simpulan 1.

2.

3.

4.

Penerapan biogas ke dalam motor bensin dapat dilakukan secara langsung dengan cara modifikasi karburator. Pada Modifikasi karburator dilakukan pengurangan bukaan lubang pemasukan udara (choke) sebesar 250 dari bukaan tertutup dan pelepasan komponen standar, yaitu ruang pelampung (float chamber), pelampung (float), jarum pengabut (jet needle), pengabut stationer (slow jet), dan pengabut utama (main jet). Modifikasi karburator dilakukan untuk mendapatkan perbandingan rasio udara dan bahan bakar dengan nilai 5.7:1. Motor bakar yang menggunakan karburator modifikasi dapat beroperasi dengan putaran mesin lebih dari 1500 rpm hingga 4500 rpm dalam kondisi stabil. Hasil uji prestasi (performance) tiap rasio kompresi mendapatkan nilai daya maksimal pada rasio kompresi 7.6, 8.3, 9.0, dan 10.0 berturut-turut adalah 0.827 kW, 0.953 kW, 0.838 kW, dan 0.764 kW. Nilai torsi maksimal pada rasio kompresi 7.6, 8.3, 9.0, dan 10.0 berturut-turut adalah 3.071 N.m, 4.274 N.m, 3.598 N.m, 4.074 N.m Pengukuran nilai sfc (specific fuel consumption) dapat diukur menggunakan alat ukur debit biogas yang menggunakan prinsip venturi. Hasil uji mendapatkan nilai bahan bakar spesifik atau sfc (specific fuel consumption) terendah pada rasio kompresi 7.6, 8.3, 9.0, 10.0 berturutturut adalah 4.29 m3/kWjam, 2.13 m3/kWjam, 1.84 m3/kWjam, dan 2.92 m3/kWjam. Rasio kompresi yang optimal pada kinerja motor bakar adalah 8.3 dengan nilai daya dan torsi maksimum, namun nilai konsumsi bahan bakar spesifik (specific fuel consumption) tidak terjadi pada titik minimal dibandingkan nilai rasio kompresi yang lain. Peningkatan rasio kompresi pada motor bensin tidak begitu berpengaruh terhadap hasil kinerja baik prestasi (performance) dan konsumsi bahan bakar, sehingga pada penerapan bahan bakar biogas dalam motor bensin tidak perlu mengubah rasio kompresi.

5.2. Saran 1.

2. 3. 4. 5.

Perlunya melakukan pengukuran komposisi biogas sebelum melakukan uji performance ke dalam motor bakar agar nilai kalor seragam tiap kantong biogas yang digunakan saat pengujian. Untuk mendapatkan nilai daya, torsi dan konsumsi bahan bakar yang lebih optimal perlunya pengujian dengan mengubah waktu pengapian busi (ignition timing) Perlunya pengukuran emisi gas buang. Perlunya pengembangan untuk alat uji debit biogas untuk dilakukannya kegiatan perekaman dengan interval waktu yang ditentukan. Perlunya dilakukannya penyuluhan ke petani-petani Indonesia untuk penggunaan bahan bakar biogas pada mesin-mesin pertanian yang menggunakan motor bensin.

49

DAFTAR PUSTAKA Ana dkk. 2011. Perkembangan Digester Biogas di Indonesia. [e-book]Balai Besar Pengembangan Mekanisasi Pertanian. Digital Library http://ngori.files.wordpress.com/../perkembangandigester.pdf .[1 November 2011] Ashraf Abdel. 2012. Comparig Simulation Softwares Used in Heat Transfer and Fluid Mechanics Problems Analysis [Paper]. JordanAl-Balqa Applied University. http://www.ijitcs.com/../AshrafAbdel+Karim.pdf. [19 Juli 2012] Barnett, et,all. 1982. Biogas Technology in the Third World : A Multidisciplinary Review. Bosch, R. (2001). Automotive Hand Book 5th Edition. Stuttgart : Robert Bosch GmbH. Dayang. 2007. Pengaruh Perubahan Compression Ratio Pada Unjuk Kerja Motor Diesel Dengan Bahan Bakar Gas. Paper ITS Undergraduate. Surabaya: Institut Teknologi Surabaya (ITS). [Ditjen EBTKE]Direktorat Jendral Energi Baru Terbarukan dan Konservasi Energi. 2011. Pemerintah Dorong Pengembangan Energi Biogas Komesial. http://www.ebtke.esdm.go.id/examplepages.html. [2 November 2011] Kreating, Eugine L. 1993. Applied Combustion. New York: Macel Dekker, Inc. Fauziyah, A.N. 1996. Pemanfaatan Limbah Industri Kertas (Biosludge) untuk Pembuatan Biogas. Skripsi. Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Ganesan, V. 2007. Internal Combustion Engines. New Delhi : Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited. Harsanto. 1990. Motor Bakar. Jakarta : Djambatan. Hery AF, Septiropa Z, Sellyriansyah, Romadhi F. 2011. Pemanfaatan Biogas/Landfillgas Sebagai Bahan Bakar Mesin Bensin 1 Silinder 4 Langkah. Jurnal Teknik Industri, Vol. 12, No. 2, Agustus 2011: 162–168. Malang : Universitas Muhammadiyah Malang. Hyundai,Ltd. 2008. Prinsip Dasar Engine. Hyundai Mobil Indonesia. http://hyundaimobilass.com/program-training/ . [14 Februari 2012] Lee J. 2010. A Study on Performance and Emissions of a 4-stroke IC Engine Operating on Landfill Gas with the Addition of H2, CO and Syngas [tesis]. New York: Columbia University. Kapdi, S.S., Vijay, V.K., Rajesh, S.K., and Prasad, R., 2006. Asian Journal on Energy and Environment, ISSN 1513–4121. Krisna, I Dewa Made. 2009. Pengaruh Rasio Kompresi terhadap Unjuk Kerja Mesin Empat Langkah Menggunakan Arak Bali sebagai Bahan Bakar. Jurnal Ilmiah Teknik Mesin CakraM Vol. 3 No. 1, April 2009 (26 – 32). Bali: Universitas Udayana. http://ejournal.unud.ac.id/../_5_ sukadana cakram. [4 Juli 2012] Koopmans, A. 1998. Trend in Energi Use. Expert Consultation on Wood Energi, Climate and Health. 7-9October, 1998, Phuket, Thailand. Mitzlaff K. 2008. Engines for biogas. Jerman : German Appropriate Technology Exchange. Niam AG. 2008. Simulasi Dispersi Gas Polutan SO2, H2S, dan CO dengan Menggunakan Program Computational Fluid Dynamics (CFD) [Skripsi]. Bogor: Departemen Teknik Pertanian, IPB. Peace Corps. 1982. The Factory's Products: Biogas. Biofertilizer Business Handbook: Chapter seven. [e-book] http://collections.infocollections.org/ukedu/en/d/Jr0048e/10.html. [2 November 2011] Pulkarabek WW. 2004. Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine 2nd. New Jersey: Pearson Education, Inc. Pranayuda Ade P. 2013. Rancang Bangun Karburator Biogas Untuk Motor Besin [Skripsi]. Bogor: Institut Pertanian Bogor.

50

Razbani O, Mirzamuhhamad N, Assadi M. 2011. Literatur Riview and Road Map for Using Biogas in Internal Combustion Engine. Prosiding of Third International Coverence on Applied Energy. Norway: University of Stavanger. Reynold, William C. 1996. Termodinamika Teknik. Terjemahan : Engineering Thermodynamics, 2nd Edition. Jakarta : Erlangga. Roberts M. 2002. Benefits and Challenges of Variable Compression Ratio (VCR). Paper Number 03P227. Society of Automotive Engineers, Inc. Stefan M. 2004. Biogas Fuel For Internal Combustion Engines. Annals of The Faculty of Engineering Henedoara Tome II Fascicole 3 2004. Serbia and Montenegro : University of Novi Sad. Robert, Martyn. 2002. Benefits and Challenges of Variable Compression Ratio (VCR). Paper Number 03P-227. Society of Automotive Engineers, Inc. Suhut Simanmora dkk. 2006. Membuat Biogas Pengganti Bahan Bakar Minyak & Gas dari Kotoran Ternak. Tangerang : PT. AgroMedia Pustaka. Sri Wahyuni. 2009. Biogas. Depok : Penebar Swadaya Sri Wahyuni. 2011. Menghasilkan Biogas dari Aneka Limbah. Jakarta: Agromedia Sasse ludwig. 1992. Pengembangan energi alternatif biogas dan pertanian terpadu di boyolali-jawa tengah. Solo : lembaga pengembangan teknologi pedesaan (LPTP) Wiratmaja, I Gede. 2010. Analisa Unjuk Kerja Motor Bensin Akibat Pemakaian Biogasoline. Jurnal Ilmiah Teknik Mesin Vol. 4 No.1. April 2010 (16-25). Bali : Universitas Udayana. http://ejournal.unud.ac.id/../3.analisa unjuk kerja motor bensin akibat pemakaian biogasoline. [4 Juli 2012]

51

LAMPIRAN

52

Lampiran 1. Tabel perhitungan variasi tiap rasio kompresi. Variasi Ratio Kompresi

Kegiatan Modifikasi

-1

Penambaha n gasket 0.8 Standar Ratio Kompresi Pemotonga n Silinder Head Penambaha n gasket 0.8

0

2

1

ΔVc (cc)

Vc (cc)

Vd (cc)

14.68

1.54 0.00

16.2 2 14.6 8

107.2 5 107.2 5

1.50

14.68

2.89

11.8 0

107.2 5

10.09

0.70

14.68

1.35

13.3 4

107.2 5

9.04

Teba l (mm) -0.80

Volum e Awal (cc) 14.68

0.00

Ratio Kompres i 7.61 8.30

53

Lampiran 2. Gambar visual tiap variasi rasio kompresi

Gambar engine standar

Gambar engine modifikasi -1

54

Gambar engine modifikasi 1

Gambar engine modifikasi 2

55

Lampiran 3. Data input dan output pada analisis siklus otto Data input analisis siklus otto Data kPa K

Po (Tekanan) T1 (Suhu) Rc (Rasio Kompresi) B (Bore) S (Stroke) Rs (Konstanta gas Spesifik Cv (Panas Jenis Gas) Vd (Volume Displacement)

cm cm KJ/Kg-K KJ/KgK cm3 m3 cm3 Vc (Volume Clearance) m3 m3 V1 Perbandingan udara dan bahan bakar γ rasio nilai panas Kj/kg QHV (Nilai kalor bahan bakar) ɳ (Efisiensi Pembakaran) hp Daya Mesin kW RPM N (putaran mesin)

Bensin CR 8.3 101.325 300 8.30 5.69 4.22 0.287 0.718 107.252 0.000107 14.683 1.47E-05 0.000122 11 1.4 44581 1 3.5 2.611 3000

CR 7.6 101.325 300 7.66 5.69 4.22 0.518 1.7 107.252 0.000107 16.099 1.61E-05 0.000123 5.7 1.3 18000 1 3.5 2.611 3000

Biogas CR 8.3 CR 9 101.325 101.325 300 300 8.30 9.04 5.69 5.69 4.22 4.22 0.518 0.518 1.7 1.7 107.252 107.252 0.000107 0.000107 14.683 13.345 1.47E-05 1.33E-05 0.000122 0.000121 5.7 5.7 1.3 1.3 18000 18000 1 1 3.5 3.5 2.611 2.611 3000 3000

CR 10 101.325 300 10.08 5.69 4.22 0.518 1.7 107.252 0.000107 11.808 1.18E-05 0.000119 5.7 1.3 18000 1 3.5 2.611 3000

Data output analisis siklus otto Data

Bensin

Mm (massa total yang masuk)

Kg

Ma (Massa udara yang masuk)

Kg

Mf (Massa bahan bakar yang masuk) ρa (densitas udara)

Kg Kg/m 3

Biogas

Standar 0.00014349 7 0.00013153 9 1.19581E05 1.17682926 8

CR 7.6 8.04285E05 6.84242E05 1.20042E05 0.65202702 7

CR 8.3 7.95052E05 6.76388E05 1.18665E05 0.65202702 7

CR 9 7.8633E-05 6.68967E05 1.17363E05 0.65202702 7

CR 10 7.76308E05 6.60442E05 1.15867E05 0.65202702 7

Siklus 0-1 P1 T1 (Suhu) V1

kPa K m3

101.325 300.000 0.00012193 5

101.325 300.000 0.00012335 1

101.325 300.000 0.00012193 5

101.325 300.000 0.00012059 8

101.325 300.000 0.00011906 1

Siklus 1-2 P2 T2 V2

kPa K m3

1962.236 699.593 1.46832E05

1430.084 552.617 1.60991E05

1587.889 566.128 1.46832E05

1772.247 580.661 1.33455E05

2043.450 600.059 1.18085E05

Siklus 2-3 P3 T3 V3

kPa K m3

16474.993 5873.804 1.46832E05

5519.736 2132.950 1.60991E05

6020.449 2146.461 1.46832E05

6595.611 2160.995 1.33455E05

7425.144 2180.392 1.18085E05

Siklus 3-4 P4 T4 V4

kPa K m3

850.728 2518.809 0.00012193 5

391.087 1157.919 0.00012335 1

384.172 1137.444 0.00012193 5

377.092 1116.483 0.00012059 8

368.178 1090.090 0.00011906 1

56

Lampiran 4. Grafik output siklus otto 18000 16000 Pressure (kPa)

14000 12000 10000 8000

6000 4000 2000 0 0.00E+00 2.00E-05 4.00E-05 6.00E-05 8.00E-05 1.00E-04 1.20E-04 1.40E-04 Volume (m3) Grafik P-V output analisis siklus otto Bensin CR 8.3

6000

Pressure (kPa)

5000 4000 3000 2000 1000 0 0.00E+00 2.00E-05

4.00E-05

6.00E-05 8.00E-05 Volume (m3)

1.00E-04

1.20E-04

1.40E-04

Grafik P-V output analisis siklus otto Biogas CR 7.6

57

7000

Pressure (kPa)

6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0.00E+00 2.00E-05

4.00E-05

6.00E-05 8.00E-05 Volume (m3)

1.00E-04

1.20E-04

1.40E-04

1.20E-04

1.40E-04

Grafik P-V output analisis siklus otto Biogas CR 8.3.

7000

Pressure (kPa)

6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0.00E+00 2.00E-05

4.00E-05

6.00E-05 8.00E-05 Volume (m3)

1.00E-04

. Grafik P-V output analisis siklus otto Biogas CR 9

58

8000 7000

Pressure (kPa)

6000

5000 4000 3000 2000 1000 0 0.00E+00 2.00E-05 4.00E-05 6.00E-05 8.00E-05 1.00E-04 1.20E-04 1.40E-04 Volume (m3) Grafik P-V output analisis siklus otto Biogas CR 10

59

Lampiran 5. Perhitungan debit yang masuk dalam motor bensin Honda GX-110

𝑄 = 𝜂𝑣𝑜𝑙 .

𝑉ℎ . 𝑛 2000 . 60

Keterangan, Q = Debit campuran yang masuk ke engine (m3/s) Vh =Volume Ruang pembakaran (liter) n = Putaran mesin (rpm) Ƞvol=effisiensi volume mesin d manifold conection = diameter penghubung antara karburator dan kepala silinder (mm)

Perhitungan debit pada rasio kompresi 8.3 Diketahui Vb (8.3) = 0.000121935468423333 m3 = 0.122 liter n = 4500 rpm Ƞvol= 1 d manifold conection = 30 mm

𝑄 = 1𝑥

0.122 𝑥 4500 2000 𝑥 60

𝑄 = 0.004575 𝑚 3 /𝑠 Tabel Perhitungan Debit Dengan Variasi Rasio Kompresi Rasio Kompresi Ruang Pembakaran (liter) Debit (m3/s)

7.6 0.123351 0.004626

8.3 0.121935 0.004573

9 0.120598 0.004522

10 0.119061 0.004465

60

Lampiran 6. Gambar kontur kecepatan aliran karburator modifikasi tiap variasi bukaan choke dengan simulasi CFD

Bukaan 900 tampak samping

Bukaan 900 tampak atas

61

Bukaan 450 tampak samping

Bukaan 450 tampak atas

62

Bukaan 300 tampak samping

Bukaan 300 tampak atas

63

Bukaan 250 tampak samping

Bukaan 250 tampak atas

64

Bukaan 150 tampak samping

Bukaan 150 tampak atas

65

Lampiran 7. Data uji rasio kompresi 8.3 bahan bakar bensin

Uji Pertama 2.5

7.0 6.0

2 1.5

4.0

1

3.0

Torsi (kW)

Daya (kW)

5.0

2.0 0.5 0 1500

Tenaga (kW) Torsi (Nm) 2000

1.0 2500

3000 3500 Putaran Mesin (rpm)

4000

0.0 4500

2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1500

7.000 6.000 5.000 4.000 3.000

Torsi (Nm)

Daya (kW)

Uji Kedua

2.000 Tenaga (kW) Torsi (Nm) 2000

1.000 2500

3000

3500

4000

0.000 4500

Putaran Mesin (rpm)

Uji Ketiga 1.8

7.0

1.6

6.0

5.0

1.2 1

4.0

0.8

3.0

0.6

2.0

0.4

1.0

0.2 Ten… 0 1500 2000

Torsi (Nm)

Daya (kW)

1.4

2500

3000 3500 Putaran Mesin (rpm)

4000

0.0 4500

66

Lampiran 8. Data uji rasio kompresi 7.6 bahan bakar biogas

0.7

4.00

0.6

3.50

0.5

3.00 2.50

0.4

2.00

0.3

1.50

0.2

Tenaga (kW) Torsi (N.m)

0.1

1.00 0.50

0 0

500

1000

Torsi (N.m)

Tenaga (kW)

Uji Pertama

1500

2000

2500

3000

3500

0.00 4000

Putaran Mesin (RPM)

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1000

Tenaga (kW) Torsi (N.m) 1500

2000

2500

3000

3500

4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 4000

Torsi (N.m)

Tenaga (kW)

Uji Kedua

Putaran Mesin (RPM)

0.7

3.5

0.6

3.0

0.5

2.5

0.4

2.0

0.3

1.5

0.2 0.1

0 1000

Torsi (N.m)

Tenaga (hp)

Uji Ketiga

1.0 Tenaga… Torsi (N.m) 1500

0.5 2000

2500

3000

3500

0.0 4000

Putaran Mesin (RPM)

67

0.8

3500

4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 4000

3500

4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 4000

0.7 Tenaga (kW)

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1000

Tenaga (kW) Torsi (N.m) 1500

2000

2500

3000

Torsi (N.m)

Lampiran 9. Data uji rasio kompresi 8.3 bahan bakar biogas Uji Pertama

Putaran Mesin (RPM)

1.2

Tenaga (kW)

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1000

Tenaga (kW) Torsi (N.m) 1500

2000

2500

3000

Torsi (N.m)

Uji Kedua

Putaran Mesin (RPM)

1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1000

4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5

1.0

Tenaga (kW) Torsi (N.m) 1500

Torsi (N.m)

Tenaga (kW)

Uji Ketiga

0.5 2000

2500

3000

3500

0.0 4000

Putaran Mesin (RPM)

68

0.8

4.0

0.7

3.5

0.6

3.0

0.5

2.5

0.4

2.0

0.3

1.5

0.2 0.1 0 1000

Torsi (N.m)

Tenaga (kW)

Lampiran 10. Data uji rasio kompresi 9.0 bahan bakar biogas Uji Pertama

1.0 Tenaga (kW) Torsi (N.m) 1500

0.5 2000

2500

3000

3500

0.0 4000

Putaran Mesin (RPM)

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1000

4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0

Tenaga (kW) Torsi (N.m) 1500

Torsi (N.m)

Tenaga (kW)

Uji Kedua

0.5 2000

2500

3000

3500

0.0 4000

Putaran Mesin (RPM)

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1000

4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0

Tenaga (kW) Torsi (N.m) 1500

2000

Torsi (N.m)

Tenaga (kW)

Uji Ketiga

0.5 2500

3000

3500

4000

0.0 4500

Putaran Mesin (RPM)

69

0.8 0.7 Tenaga (kW)

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1000

Tenaga (kW) Torsi (N.m) 1500

2000

2500

3000

4.500 4.000 3.500 3.000 2.500 2.000 1.500 1.000 0.500 0.000 3500

Torsi (N.m)

Lampiran 11. Data uji rasio kompresi 10.0 bahan bakar biogas Uji Pertama

Putaran Mesin (RPM)

Tenaga (kW)

Uji Kedua 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1000

4.000

3.500 3.000 2.500 2.000 1.500 1.000 Tenaga (kW) Torsi (N.m) 1500

0.500 2000

2500

3000

0.000 3500

Putaran Mesin (RPM)

Tenaga (kW)

Uji Ketiga 0.7

4.000

0.6

3.500

0.5

3.000 2.500

0.4

2.000

0.3

1.500

0.2 0.1 0 1000

1.000 Tenaga (kW) Torsi (N.m) 1500

0.500 2000

2500

3000

3500

0.000 4000

Putaran Mesin (RPM)

70

Lampiran 12. Skrip program alat ukur debit /***************************************************** This program was produced by the CodeWizardAVR V2.05.0 Professional Automatic Program Generator © Copyright 1998-2010 Pavel Haiduc, HP InfoTech s.r.l. http://www.hpinfotech.com

Project : Version : Date

: 11/28/2012

Author : Company : Comments:

Chip type

: ATmega8535

Program type

: Application

AVR Core Clock frequency: 11.059200 MHz Memory model

: Small

External RAM size

:0

Data Stack size

: 128

*****************************************************/ #include <mega8535.h> #include <math.h> #include <delay.h>

// Alphanumeric LCD Module functions #include #include <stdlib.h> #define ADC_VREF_TYPE 0x40

// Read the AD conversion result unsigned int read_adc(unsigned char adc_input) { ADMUX=adc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff); // Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage delay_us(10); // Start the AD conversion ADCSRA|=0x40; // Wait for the AD conversion to complete while ((ADCSRA & 0x10)==0); ADCSRA|=0x10; return ADCW; }

// Declare your global variables here char kata[32];

71

int tek; float tekanan,debit; void main(void) { // Declare your local variables here

// Input/Output Ports initialization // Port A initialization // Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTA=0x00; DDRA=0x00;

// Port B initialization // Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTB=0x00; DDRB=0x00;

// Port C initialization // Func7=Out Func6=Out Func5=Out Func4=Out Func3=Out Func2=Out Func1=Out Func0=Out // State7=0 State6=0 State5=0 State4=0 State3=0 State2=0 State1=0 State0=0 PORTC=0x00; DDRC=0xFF;

// Port D initialization // Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTD=0x00; DDRD=0x00;

// Timer/Counter 0 initialization // Clock source: System Clock // Clock value: Timer 0 Stopped // Mode: Normal top=0xFF // OC0 output: Disconnected TCCR0=0x00; TCNT0=0x00; OCR0=0x00;

// Timer/Counter 1 initialization // Clock source: System Clock // Clock value: Timer1 Stopped // Mode: Normal top=0xFFFF // OC1A output: Discon. // OC1B output: Discon. // Noise Canceler: Off // Input Capture on Falling Edge

72

// Timer1 Overflow Interrupt: Off // Input Capture Interrupt: Off // Compare A Match Interrupt: Off // Compare B Match Interrupt: Off TCCR1A=0x00; TCCR1B=0x00; TCNT1H=0x00; TCNT1L=0x00; ICR1H=0x00; ICR1L=0x00; OCR1AH=0x00; OCR1AL=0x00; OCR1BH=0x00; OCR1BL=0x00;

// Timer/Counter 2 initialization // Clock source: System Clock // Clock value: Timer2 Stopped // Mode: Normal top=0xFF // OC2 output: Disconnected ASSR=0x00; TCCR2=0x00; TCNT2=0x00; OCR2=0x00;

// External Interrupt(s) initialization // INT0: Off // INT1: Off // INT2: Off MCUCR=0x00; MCUCSR=0x00;

// Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization TIMSK=0x00;

// USART initialization // USART disabled UCSRB=0x00;

// Analog Comparator initialization // Analog Comparator: Off // Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off ACSR=0x80; SFIOR=0x00;

// ADC initialization // ADC Clock frequency: 691.200 kHz // ADC Voltage Reference: AVCC pin

73

// ADC High Speed Mode: Off // ADC Auto Trigger Source: ADC Stopped ADMUX=ADC_VREF_TYPE & 0xff; ADCSRA=0x84; SFIOR&=0xEF;

// SPI initialization // SPI disabled SPCR=0x00;

// TWI initialization // TWI disabled TWCR=0x00;

// Alphanumeric LCD initialization // Connections specified in the // Project|Configure|C Compiler|Libraries|Alphanumeric LCD menu: // RS - PORTC Bit 0 // RD - PORTC Bit 1 // EN - PORTC Bit 2 // D4 - PORTC Bit 4 // D5 - PORTC Bit 5 // D6 - PORTC Bit 6 // D7 - PORTC Bit 7 // Characters/line: 16 lcd_init(16); lcd_puts("-Pengukur Debit-"); delay_ms(500); while (1) { lcd_clear(); tek=read_adc(0); tekanan=(float)tek*493/(9*1024); tekanan=tekanan*1000; // debit=35.08*log(tekanan)-260.6; debit=-4.6338+(1.4614*(pow(0.5)((tekanan)-1792.5467))); ftoa(tekanan,2,kata); lcd_gotoxy(0,0); lcd_puts("P = "); lcd_puts(kata); lcd_puts(" Pa"); lcd_gotoxy(0,1); lcd_puts("Q = "); ftoa(debit,2,kata); lcd_puts(kata); lcd_puts(" l/min"); delay_ms(200); // Place your code here

74

Lampiran 13. Bentuk Invers dari hasil kalibrasi dan validasi

𝑓 (𝑥) = 0.4682 𝑋 2 + 4.3391 𝑋 + 1802.6 Ubah ke bentuk Invers; 𝑦 = 0.4682 𝑋 2 + 4.3391 𝑋 + 1802.6 0 = 0.4682 𝑋 2 + 4.3391 𝑋 + 1802.6 − 𝑦 0 = 0.4682 𝑋 2 + 4.3391 𝑋 + (1802.6 − 𝑦 )

𝑥=

−𝑏 ± √𝑏2 − 4𝑎𝑐 2𝑎

a=0.4682 ; b=4.3391; c=(1802.6 − 𝑦)

𝑥=

−(4.3391) ± √(4.3391)2 − 4(0.4682)(1802.6 − 𝑦) 2(0.4682)

𝑥=

−(4.3391) ± √18.8278 − (3375.9093 − 1.8728𝑦) 0.9364

𝑥=

−(4.3391) ± √18.8278 − 3375.9093 + 1.8728𝑦 0.9364 𝑥=

−4.3391 + √−3357.0815 + 1.8728𝑦 0.9364

𝑥=

−4.3391 + √1.8728(−1792.5467 + 𝑦) 0.9364

𝑥=

−4.3391 + 1.3685√(−1792.5467 + 𝑦) 0.9364

𝑥 = −4.6338 + 1.4614√(y − 1792.5467) 𝑦 = −4.6338 + 1.4614√(x − 1792.5467) BENTUK INVERS ; 𝑓 −1 (𝑥) = −4.6338 + 1.4614√(x − 1792.5467)

75

Lampiran 14. Desain alat ukur venture digital

76