TESIS
PENGARUH RESIRKULASI EMISI GAS BUANG TERHADAP UNJUK KERJA MESIN SEPEDA MOTOR EMPAT LANGKAH
I KETUT ADI NIM 1391961005
PROGRAM MAGISTER PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS UDAYANA DENPASAR 2015
PENGARUH RESIRKULASI EMISI GAS BUANG TERHADAP UNJUK KERJA MESIN SEPEDA MOTOR EMPAT LANGKAH
Tesis untuk Memperoleh Gelar Magister pada Program Magister, Program Studi Teknik Mesin Program Pascasarjana Universitas Udayana
I KETUT ADI NIM 1391961005
PROGRAM MAGISTER PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS UDAYANA DENPASAR 2015
Lembar Pengesahan
TESIS INI TELAH DISETUJUI TANGGAL, 5 JUNI 2015
Pembimbing I,
Pembimbing II,
Prof.Dr.Ir. I Gusti Bagus Wijaya Kusuma NIP. 19700607 199303 1 002
Dr. I Wayan Bandem Adnyana, M.Erg NIP. 19650706 199103 1 002
Mengetahui
Ketua Program Studi Teknik Mesin Program Pascasarjana Universitas Udayana
Prof.Dr.Ir. I Gusti Bagus Wijaya Kusuma NIP. 19700607 199303 1 002
Direktur Program Pascasarjana Universitas Udayana
Prof.Dr.dr.A.A.Raka Sudewi,Sp.SK) NIP.19590215 198510 2 001
LEMBAR PENETAPAN PANITIA PENGUJI
Tesis Ini Telah Diuji dan Dinilai Oleh Panitia Penguji Pada Program Pascasarjana Universitas Udayana Pada Hari/Tanggal : Jumat / 5 Juni 2015
Berdasarkan SK Rektor Universitas Udayana No. 1557/UN14.4/HK/2015. Tanggal 1 Juni 2015
Susunan Panitia Penguji : Ketua
: Prof. Dr. Ir. I Gusti Bagus Wijaya Kusuma
Anggota : 1. Dr. Ir. I Wayan Bandem Adnyana, M. Erg. 2. I Made Widiyarta, ST., MSc.,Ph.D. 3. Prof. I Nym. Suprapta Winaya, ST.,MASc.,Ph.D. 4. I Dewa Gede Ary Subagia,ST.,MT.,Ph.D.
SURAT PERNYATAAN BEBAS PLAGIAT
NAMA
: I KETUT ADI
NIM
: 1391961005
PROGRAM STUDI
: PROGRAM MAGISTER TEKNIK MESIN UNIVERSITAS UDAYANA
JUDUL TESIS
: PENGARUH RESIRKULASI EMISI GAS BUANG TERHADAP UNJUK KERJA MESIN SEPEDA MOTOR EMPAT LANGKAH
Dengan ini menyatakan bahwa karya ilmiah Tesis ini bebas plagiat. Apabila dikemudian hari terbukti terdapat plagiat dalam karya ilmiah ini, maka saya bersedia menerima sanksi sesuai Peraturan Mendiknas RI No17 Tahun 2010 dan Peraturan Perundang-undangan yang berlaku.
Denpasar, 1 Juli 2015 Yang Membuat Pernyataan
( I Ketut Adi)
UCAPAN TERIMA KASIH Alhamdulillah. Bait puji syukur ini penulis panjatkan ke khadirat Allah Subhanahu Wata’ala, Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat, rahmat dan hidayah-Nya, penulis dapat menyelesaikan tesis ini. Pada kesempatan yang baik ini, perkenankanlah penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesarbesarnya, kepada : Rektor Universitas Udayana, Prof. Dr. dr. Ketut Suastika, Sp.PD-KEMD. dan Direktur Program Pascasarjana Universitas Udayana, Prof. Dr. dr. A.A. Raka Sudewi, Sp.S.(K), atas fasilitas dan kesempatan yang diberikan kepada penulis, menjadi bagian civitas akademika Universitas Udayana. Direktur Jenderal, pada Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Prof. Dr. Ir. Djoko Santoso, atas dukungan finansialnya berupa Beasiswa BPP-DN, sehingga penulis dapat mengenyam pendidikan yang lebih tinggi . Ketua Program studi Teknik Mesin, Program Pascasarjana Universitas Udayana, sekaligus Pembimbing I, Prof. Dr. Ir. I Gusti Bagus Wijaya Kusuma, yang telah dengan penuh perhatian, memberikan dorongan semangat, masukan dan bimbingan
selama
penyelesaian
kegiatan
akademik,
khususnya
dalam
penyelesaian tesis ini. Dekan Fakultas Teknik, Universitas Udayana, Prof. Ir. I Ngakan Putu Gede Suardana, MT., Ph.D, atas kesempatan dan kemudahannya dalam penggunaan fasilitas fakultas. Ketua Jurusan Teknik Mesin, Universitas Udayana, sekaligus anggota Tim Penguji, Prof. I Nym.. Suprapta Winaya, ST.,MASc.,PhD., atas ijin dan kesempatan dalam penggunaan fasilitas jurusan serta masukan dan koreksinya. Ucapan terima kasih yang dalam, juga penulis sampaikan kepada Dr.Ir. I Wayan Bandem Adnyana, M.Erg. selaku Pembimbing II, yang telah dengan sabar membimbing dan memberikan wawasan keilmuan yang lebih luas dalam otomotif yang erat hubungannya dengan tesis ini.
Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada anggota Tim Penguji lainnya, yaitu : I Made Widiyarta, ST., M.Eng.Sc., Ph.D. dan I Dewa Gde Ary Subagia, ST.,MT.,Ph.D, untuk semua masukan, arahan dan koreksinya berkenaan dengan tesis ini. Ucapan terima kasih penulis sampaikan juga, kepada Ir I Made Mudhina MT, selaku Direktur Politeknik Negeri Bali, atas kesempatan tugas belajar yang diberikan. Ucapan terima kasih juga penulis khusus sampaikan secara tulus kepada Romo Hadi atas kesediaannya mengupayakan solusi pemulihan penglihatan penulis. Terima kasih yang tulus juga penulis tujukan untuk seluruh guru-guru, dari sekolah dasar hingga perguruan tinggi, yang telah menuntun dan membekali penulis dengan ilmu dan pengetahuan. Ucapan terima kasih penulis sampaikan untuk kedua orang tua penulis, Ibu, Ni Made Keted dan Ayah, I Wayan Warda, atas do’a dan semangatnya dalam membesarkan dan membekali etika, sikap dan perilaku serta dasar-dasar berpikir logis dan terbuka, kepada penulis. Hal yang sama juga penulis sampaikan untuk mertua penulis, Bapak Joesoef Soenarno dan Ibu Siti Badrijah, atas contoh wujud keutuhan dan kekuatan cintanya. Terima kasih juga penulis ucapkan untuk isteri tercinta Ir. Enny Wahyuni dan anak tersayang
si semata wayang, Andika Kristi Dewantari, yang telah
memberikan kesempatan kepada penulis untuk lebih berkonsentrasi untuk menyelesaikan tesis ini. Terima kasih juga penulis sampaikan kepada semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu demi satu, yang telah membantu, baik moril maupun materiil dalam penyelesaian tesis ini. Semoga Allah, Tuhan Yang Maha Esa, melimpahkan anugerahNya kepada semua pihak yang telah membantu pelaksanaan dan penyelesaian tesis ini. Denpasar, 1 Juli 2015 Penulis
ABSTRAK PENGARUH RESIRKULASI EMISI GAS BUANG TERHADAP UNJUK KERJA MESIN SEPEDA MOTOR EMPAT LANGKAH Pemanfaatan gas buang pada kendaraaan bermotor dengan meresirkulasikannya kembali ke dalam pembakaran di ruang bakar, telah memberi kontribusi yang besar pada kualitas emisi yang dihasilkan berupa menurunnya gas NOx . Metode yang dipakai berbeda dengan konsep EGR(Exhaust Gas Recirculation) pada umumnya, dimana pada penelitian ini dilakukan pembuatan resirkulator emisi gas buang dengan tujuan untuk mendapatkkan rancangan resirkulator gas buang untuk diaplikasikan pada sepeda motor empat langkah berbahan bakar bensin. Dalam penelitian ini gas buang diresirkulasikan hanya di sepanjang saluran buang/knalpot, dengan bantuan tekanan balik untuk membuka sebuah katup satu arah yang memungkinkan adanya sejumlah gas buang dapat melewatinya. Gas buang tersebut akan mendapatkan pendinginan selama melewati pipa saluran sebelum akhirnya masuk ke dalam pangkal knalpot dan berperan untuk menurunkan temperatur knalpot. Dengan adanya penurunan suhu di dalam knalpot, akan berpengaruh pada tekanan balik yang dapat terjadi di dalam knalpot. Hal itu akan memungkinkan gas bekas hasil pembakaran di ruang bakar akan keluar lebih banyak. Proses pembakaran berikutnya menjadi lebih sempurna dan dapat meningkatkan unjuk kerja mesin sepeda motor tersebut, karena akan lebih banyak campuran bahan bakar dan udara yang dapat masuk menuju ruang bakar pada langkah isap dalam siklus berikutnya. Adanya perbedaan daya dan torsi yang ditunjukkan dalam uji penggunaan resirkulator gas buang dan uji tanpa menggunakan resirkulator, dapat dijadikan indikator adanya peningkatan unjuk kerja mesin. Berdasarkan dari kegiatan penelitian ini, secara kuantitatif dapat ditunjukkan bahwa telah dihasilkan peningkatan unjuk kerja mesin, berupa peningkatan daya motor sebesar 5,75 %, dari sebelumnya 4,35 kW (tanpa resirkulator gas buang) menjadi 4,60 kW(dengan resirkulator gas buang) dan torsi sebesar 4 %, dari 51,0 Nm(tanpa resirkulator gas buang), menjadi 53,0 Nm (dengan resirkulator gas buang) pada kecepatan uji tertinggi 5500 RPM. Kualitas emisi gas buang juga lebih baik pada saat resirkulator diaplikasikan dalam sistem pembuangan gas, sepeda motor. Dengan adanya penurunan pada konsentrasi emisi berupa senyawa gas HC sebesar 3,3 % , dari 68 ppm (tanpa resirkulator) menjadi 63 ppm. Demikian juga halnya dengan senyawa karbonmonoksida(CO) penurunannya sebesar 4,5 %, dari 0,155 ppm (tanpa resirkulator), menjadi 0,148 ppm (dengan resirkulator). Terjadi pula peningkatan CO2 sebesar 11,5 %, dari 5,38 % (tanpa resirkulator), menjadi 6 % (dengan resirkulator), sebagai indikator perbaikan kualitas proses pembakaran di dalam ruang bakar. Kata Kunci: Resirkulator Gas Buang, unjuk kerja, motor bensin.
ABSTRACT EFFECT OF EXHAUST GAS EMISSIONS RECIRCULATION ON THE FOUR STROKE MOTORCYCLE ENGINE’S PERFORMANCE Utilization of flue gas in a motor vehicle by recirculating the exhaust gas back into the combustion chamber, has given a great contribution to the quality of the emissions produced in the form of reduction in NOx gas. The method used in this research is different from the concept of EGR (Exhaust Gas Recirculation) generally applied. In the research conducted, a new design of exhaust gas recirculator has been made with the aim of additionally to get a new exhaust gas recirculator to be applied on a motorcycle of four stroke petrol engine. In this study, only recirculates the exhaust gas along the exhaust system /muffler, due to the back pressure, to open the one-way flow valve that allows the amount of exhaust gases to pass through. The flue gas will get cooling, while it pass the pipeline, and finally goes into the base of the exhaust system to lowering the temperature of the exhaust gas. The lower the temperature of the exhaust, the lower the back pressure that may occur in the exhaust system. The lower the back pressure along the exhaust system allows the more exhaust gas out from the combustion chamber. The next combustion process becomes more perfect and can improve the performance of the motorcycle engines, since it would be much mixture of fuel and air that can enter into the combustion chamber in the intake stroke for the next cycle. The difference in power and torque are shown in the test performed, both with and without using the recirculator, can be seen as an indicator of an increase in engine performance. After performing the processing for all of the test data on the use of Recirculator in the exhaust system of a four stroke engine in this study, it can be shown quantitatively that has generated an increase in engine performance, by increasing the motor power of 5.75%, from 4.35 kW (without exhaust gas recirculator) to 4.60 kW (with recirculator) and a torque of 4%, from 51.0 Nm (without recirculator), to 53.0 Nm (with recirculator) at a maximum test speed of 5500 RPM. The quality of exhaust emissions are also better at recirculator applied in exhaust systems, of the motorcycle. With the decrease in the concentration of a compound emissions HC gas by 3.3%, from 68 ppm (without recirculator) to 63 ppm. Similarly, a compound of carbon monoxide (CO) decline of 4.5%, from 0.155 ppm (without recirculator), become 0.148 ppm (with recirculator). There is also an increase in CO2 by 11.5%, from 5.38% (without recirculator), to 6% (with recirculator), as an indicator of the quality improvement of the combustion process in the combustion chamber. Keywords : exhaust gas recirculator, performance and petrol engine
RINGKASAN
Meresirkulasikan kembali sejumlah tertentu emisi gas buang hasil pembakaran ke dalam ruang bakar pada proses pembakaran dalam mesin kendaraan bermotor berupa EGR(Exhaust Gas Recirculation), adalah satu bentuk inovasi teknologi dalam usaha memperbaiki unjuk kerja mesin (motor bakar). Metode seperti itu, juga dapat memberi dampak pada peningkatan kualitas emisi gas buang yang dihasilkan. Sejumlah kajian dalam bentuk penelitian yang berkenaan dengan penggunaan kembali gas buang hasil pembakaran mesin, telah menunjukkan adanya pengaruh pada daya keluaran maupun kualitas emisi gas buang yang dihasilkan.Berbeda halnya dengan metode resirkulasi di atas, dalam penelitian ini resirkulasi terjadi hanya di sepanjang sistem pembuangan, untuk menurunkan tekanan balik yang terjadi di dalamnya. Pemanfaatan perangkat berupa Resirkulator Gas Buang dalam penelitian ini, telah memungkinkan adanya aliran gas buang ke dalam perangkat tersebut. Karena pada bagian sisi masuk dan keluar Resirkulator Gas Buang dilengkapi dengan pipa, maka terjadi pelepasan kalor dan menurunkan suhu gas yang melaluinya. Gas tersebut akan dialirkan masuk ke pangkal knalpot saat katup buang menutup, dimana tekanan di sekitar pangkal
knalpot tersebut rendah.
Dengan masuknya gas buang yang suhunya sudah turun, akan mempengaruhi suhu di dalam saluran buang. Hal ini akan mempengaruhi tekanan balik sepanjang saluran buang tersebut. Dalam penelitian ini dilakukan pengukuran pada daya mesin, konsentrasi emisi gas buang, temperatur gas buang dan tekanan gas buang.
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa dengan penggunaan Resirkulator Gas Buang telah menunjukkan peningkatan unjuk kerja berupa daya mesin sebesar 5,75 %, dari 4,35 kW, tanpa Resirkulator Gas Buang, menjadi 4,60 kW, dengan Resirkulator Gas Buang. Emisi gas buang juga menunjukkan perbaikan berupa menurunnya senyawa gas HC sebesar 3,3 %, dari 68%, tanpa Resirkulator, menjadi 63 %, dengan Resirkulator Gas Buang. Senyawa gas Karbonmonoksida turun sebesar 4,5%, dari 0,155 ppm, tanpa Resirkulator Gas Buang, menjadi 0,148 ppm, dengan Resirkulator Gas Buang. Senyawa emisi gas CO2 juga meningkat sebesar 11,5%, dari 5,38% CO2, tanpa Resirkulator Gas Buang, menjadi 6% CO2, dengan Resirkulator Gas Buang. Penelitian ini masih perlu dilanjutkan pada beragam pabrikan mesin baik yang diam(stationary engine) maupun bergerak(automobile), untuk mengetahui pengaruh Resirkulator Gas Buang jenis, ini secara lebih luas.
DAFTAR ISI Halaman HALAMAN SAMPUL DALAM ........................................................................ i HALAMAN PERSYARATAN GELAR ............................................................ .. ii HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING .................................................. iii HALAMAN PENETAPAN PENGUJI ……………………………………… …iv SURAT PERNYATAAN BEBAS PLAGIAT…………………………………...v HALAMAN UCAPAN TERIMA KASIH………………………………………vi ABSTRAK………………………………………………………………………viii ABSTRACT……………………………………………………………………….ix RINGKASAN……………………………………………………………………x DAFTAR ISI…………………………………………………………………….xii DAFTAR GAMBAR ...........................................................................................xv DAFTAR TABEL……………………………………………………………....xvii DAFTAR LAMPIRAN………………………………………………………...xviii DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG…………………………………...xix BAB I PENDAHULUAN .................................................................................. ... 1 1.1 Latar Belakang .........................................................................................1 1.2 Rumusan Masalah .................................................................................. 3 1.3 Tujuan Penelitian ................................................................................... 3 1.4 Manfaat Penelitian ................................................................................. 4 BAB II KAJIAN PUSTAKA ............................................................................. ....5 2.1 Gas Buang Pada Motor Bakar Pembakaran Dalam ............................... 5 2.2 Motor Bakar ......................................................................................... ...8 2.2.1 Klasifikasi Motor Bakar ............................................................... 8 2.2.2 Pembakaran dan Gas Buang ............................................................11 2.3 Hukum Termodinamika dalam Mesin Otto Empat Langkah ................ 11
2.4 Kondisi Overlapping Kerja Katup Motor Bensin ................................. 12 2.5 Unjuk Kerja Siklus ............................................................................... 13 2.6 Bentuk atau Susunan Perpindahan Panas ............................................. 15 2.7 Laju Aliran Massa...................................................................................16 2.8 Sistem Pembuangan …………………………………………………...17 2.9 Metode Uji Dinamometer .................................................................... 18 BAB III KERANGKA BERPIKIR, KONSEP DAN HIPOTESIS PENELITIAN …… 23
3.1 Kerangka Berpikir ................................................................................ 23 3.2 Konsep .................................................................................................. 25 3.3 Hipotesis ............................................................................................... 25 BAB IV METODE PENELITIAN ...................................................................... 27 4.1 Ruang Lingkup Penelitian ..................................................................... 27 4.2 Variabel Penelitian ................................................................................ 27 4.3 Model Desain Resirkulasi ...................................................................... 28 4.4 Instrumen Penelitian .............................................................................. 30 4.4.1 Spesifikasi Mesin..........................................................................30 4.4.2 Alat dan Bahan.............................................................................30 4.5 Prosedur dan Tahapan Penelitian .......................................................... 31 4.5.1 Pengujian dengan Exhaust Gas Analyzer.....................................32 4.5.2 Pengujian dengan Dynamometer..................................................32 4.6 Lokasi dan Waktu Penelitian ................................................................. 32 4.7 Analisa Data........................................................................................... 33 BAB V HASIL PENELITIAN…………………………………………………..34 5.1 Resirkulator…………………………………………………………….34 5.2 Data Hasil Pengujian…………………………………………………...38 5.2.1 Menentukan massa jenis bahan bakar……………………………38 5.2.2 Pengambilan Data………………………………………………..39 5.2.3 Hasil Pengolahan Data………………………………...…………41 BAB VI PEMBAHASAN…………………………………………………...….46 6.1 Gas Buang Dalam Otomotif………………………………………...…46 6.2 Unjuk Kerja Resirkulator……………………………………………...47
BAB VII KESIMPULAN DAN SARAN ………………………………………49 7.1 Kesimpulan …………………………………………………………..49 7.2 Saran ………………………………………………………….…...…50 DAFTAR PUSTAKA ..........................................................................................51 LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 2.1 Prinsip Kerja Motor Bensin 4 Langkah ....................................... 9 Gambar 2.2 Proses Pembakaran Sempurna .................................................... 11 Gambar 2.3 Diagram P-V ............................................................................... 12 Gambar 2.4 Diagram Katup ............................................................................ 13 Gambar 2.5 Mekanisme Poros Engkol ........................................................... 18 Gambar 2.6 Rope Brake .................................................................................. 19 Gambar 2.7 Prony Brake ................................................................................. 20 Gambar 2.8 Pengukuran Daya Motor ............................................................. 21 Gambar 2.9 Knalpot Yamaha MIO J .............................................................. 22 Gambar 3.1 Skematik Sistem Resirkulasi ....................................................... 25 Gambar 4.1 Rancangan Resirkulasi ................................................................ 28 Gambar 4.2 Diagram Alir Penelitian ............................................................. 31 Gambar 5.1 Katup Aliran Satu Arah ............................................................... 34 Gambar 5.2 Mesin Bubut ................................................................................ 35 Gambar 5.3 Mesin Bor Kolom ........................................................................ 36 Gambar 5.4 Jangka Sorong ............................................................................. 54 Gambar 5.5 Resirkulator ................................................................................. 37 Gambar 5.6 Resirkulator terpasang pada sepeda motor .................................. 37 Gambar 5.7 Persiapan pengambilan data konsumsi bahan bakar ................... 38
Gambar 5.8 Pengukuran massa bahan bakar ................................................... 39 Gambar 5.9 Grafik Daya Mesin ...................................................................... 41 Gambar 5.10 Grafik Torsi/Momen Puntir ....................................................... 42 Gambar 5.11 Grafik Emisi Gas Buang HC ..................................................... 42 Gambar 5.12 Grafik Emisi Gas Buang CO ..................................................... 43 Gambar 5.13 Grafik Emisi Gas Buang CO2 ................................................... 43 Gambar 5.14 Grafik Emisi Gas Buang O2 ..................................................... 44 Gambar 5.15 Grafik Konsumsi Bahan Bakar ................................................. 44 Gambar 5.16 Grafik BSFC (Brake Spesific Fuel Consumption) ................... 45
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 5.1 Data Untuk Knalpot Tanpa Resirkulator (uji dynamometer dan Exhaust Gas Analyzer) .................................................................................... 33 Tabel 5.2 Data Untuk Knalpot Dengan Resirkulator (uji dynamometer dan Exhaust Gas Analyzer) ............................................................................. 33
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Hasil Uji dan Pengolahan Data, Tanpa Resirkulator Lampiran 2. Hasil Uji dan Pengolahan Data, Dengan Resirkulator Lampiran 3. Exploded view of Recirculator Lampiran 4. Body Recirculator Lampiran 5. Instalasi Recirculator Lampiran 6. Katup Satu Arah Lampiran 7. Connector Lampiran 8. Uji tekanan dan temperatur saluran buang Lampiran 9. Grafik Hubungan Temperatur Gas Buang dan Kecepatan Putar Mesin Lampiran 10. Grafik Hubungan Back Pressure dan Kecepatan Putar Mesin
