1 RANCANG BANGUN POWERPLAN PADA KENDARAAN HYBRID RODA TIGA “SAPUJAGAD”
Hangga Dwi Perkasa dan I Nyoman Sutantra Jurusan Teknik Mesin, FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya (60111) E-mail:
[email protected]
Abstrak Teknologi hybrid telah ada sejak akhir tahun 1800-an, dan mulai dikembangkan menjadi lebih modern sejak tahun 1960 sampai sekarang. Salah satu alasan dikembangkannya teknologi hybrid adalah upaya untuk menghemat energi. Selain teknologi hybrid, penelitian mengenai bahan bakar terbarukan juga perlu dilakukan. Karena semakin sedikitnya bahan bakar fosil dan harganya yang terus naik. Salah satu bahan bakar terbarukan pengganti bensin adalah bioethanol. Kata kunci : Sapujagad, hybrid, ethanol, roda tiga. I. PENDAHULUAN Indonesia merupakan salah satu negara yang mempunyai jumlah populasi penduduk yang besar, hal ini dibuktikan dengan hasil dari Sensus penduduk yang dapat dilihat pada Wikipedia, pada tahun 2010 penduduk Indonesia mencapai 237.556.363 jiwa, dengan banyaknya jumlah penduduk ini, maka dinamika pergerakan manusia yang lebih dikenal dengan transportasi adalah faktor yang sangat penting untuk direncanakan terutama di kota besar yang sering mengalami masalah transportasi. Saat ini di Indonesia telah tersedia berbagai macam kendaraan baik kendaraan umum maupun kendaraan pribadi. Namun sampai saat ini jalan-jalan di Indonesia masih didominasi oleh kendaraan pribadi. Antara news pernah menulis bahwa 98% transportasi yang digunakan masyarakat Indonesia adalah kendaraan pribadi, sedangkan kendaraan umum yang tersedia hanya 2% saja. Kedua jenis kendaraan ini merupakan kendaraan yang memanfaatkan bahan bakar fosil yang semakin lama semakin langka. Selain menghabiskan banyak bahan bakar, kendaraan ini juga menyumbang polusi yang besar dengan menghasilkan gas buang yang mengandung zat-zat yang berbahaya bagi kesehatan dan dapat merusak lingkungan. Dalam tugas akhir ini saya berusaha merancang sebuah kendaraan hemat energi dan ramah lingkungan, kendaraan ini akan dilengkapi dengan teknologi hybrid yang menggabungkan mesin dengan bahan bakar aletrnatif bensin, bioethanol dan motor listrik sebagai penggerak.
II. METODOLOGI PENELITIAN Pada tugas akhir kali ini akan dilakukan perancangan power plan yang akan diterapkan pada kendaraan hybrid roda tiga bernama “Sapujagad”. Perancangan diawali dengan menentukan spesifikasi yang diinginkan, kemudian dilakukan perhitungan dan pemilihan komponen yang dibutuhkan. Dan yang terakhir adalah memodifikasi mesin berbahan bakar bensin menjadi berbahan bakar E-15 (campuran 15% ethanol dan 85% bensin), dan merancang sistem hybrid. Sistem hybrid yang dipasang adalah sistem hybrid paralel dimana motor listrik dan engine bioetanol bekerja bersama pada kecepatan rendah (040 km/jam) III. HASIL DISKUSI Teknologi hybrid Hybrid artinya gabungan dari dua hal atau lebih, dalam hal ini hybrid adalah kendaraan yang memiliki dua atau lebih sumber tenaga. Kebanyakan mesin hybrid adalah gabungan dari mesin berbahan bakar minyak dengan motor listrik. Klasifikasi Sistem Hybrid Kendaraan hybrid adalah kendaraan yang menggabungkan dua atau lebih sumber tenaga penggerak . Penggabungan kedua sumber tenaga pada kendaraan hybrid dapat dilakukan dengan cara yang berbeda. Ada tiga bentuk sistem hybrid yang digunakan, yaitu hybrid seri, hybrid pararel dan hybrid seri-pararel. Sistem Hybrid Seri Sistem seri adalah konfigurasi hybrid paling sederhana. Pada hybrid seri, hanya motor listrik yang menggerakkan roda. Motor listrik menerima tenaga listrik dari baterai atau generator yang digerakkan oleh mesin bensin. Mesin biasanya berkapasitas kecil dan dihubungkan secara seri karena hanya digunakan untuk memenuhi kebutuhan tenaga rata-rata. Baterai biasanya lebih bertenaga dibandingkan pada hybrid paralel. Hal ini dilakukan untuk memperoleh kebutuhan tenaga yang besar sehingga ukuran baterai dan motor lebih besar. Akibatnya, biaya hybrid seri lebih mahal dibandingkan hybrid paralel. Di samping itu, sistem seri ini juga tidak memerlukan kopling dan transmisi agar mobil bisa bekerja pada berbagai
2
kondisi kerja. Mesin bensin baru bekerja bila energi pada baterai habis.
Gambar 3 Rangkaian Hybrid Sistem Seri-Paralel [Erny Listijorini dkk] Gambar 1 Rangkaian Hybrid Sistem Seri [Erny Listijorini dkk] Sistem Hybrid Paralel Pada sistem hybrid paralel mesin bensin dan motor listrik langsung menggerakkan roda. Tambahan pengendali dan transmisi memungkinkan komponen bekerja secara bersama-sama. Hybrid paralel dapat menggunakan baterai yang lebih kecil karena sebagian tenaga dibantu oleh mesin bensin/diesel. Tujuan utama dari konsep ini adalah memanfaatkan energi regeneratif. Ketika kebutuhan tenaga tidak terlalu besar hybrid paralel memanfaatkan tenaga mesin bensin untuk memutar generator untuk mengisi baterai atau digunakan sebagai charger tambahan.
Gambar 2 Rangkaian Hybrid Sistem Paralel [Erny Listijorini dkk] Sistem Hybrid Seri-Paralel Penggabungan antara kedua system sebelumnya, yaitu penggabungan antara sistem hybrid seri dan system hybrid paralel membentuk suatu sistem hybrid seri-paralel. Sistem hybrid seri-paralel memungkinkan pembagian sumber tenaga menjad fleksibel dan optimal sehingga mampu mencapai tingkat efisiensi maupun tingkat kehandalan performa yang mengagumkan.
Bio ethanol engine Penggunaan etanol sebagai bahan bakar pada motor bensin (Otto) sudah dikenal sejak Henry Ford menciptakan kendaraan di tahun 1896. Setelah ekplorasi dan eksploitasi minyak bumi mulai dilakukan oleh manuasi maka bahan bakar minyak menjadi jenis bahan bakar pilihan dan utama pada kendaraan bermotor bensin (Otto). Meskipun bahan bakar minyak mendominasi penggunaan pada motor bensin, tetapi etanol menjadi alternatif lagi karena alasan sebagai berikut: (1)“octan booster” beroksigen sebagai pengganti Methyl Tersier Butil Eter (MTBE) – yang disinyalir berdampak buruk pada lingkungan, (2) menurunkan emisi gas buang, dan (3) mengurangi konsumsi bahan bakar minyak. Modifikasi yang dibutuhkan Nilai kalor dari bioethanol lebih rendah dari bensin, yaitu sekitar 67% dari nilai kalor bensin. Untuk mendapatkan keuntungan dari sifat octan booster yang dimiliki oleh bioethanol ataupun gasohol maka compression ratio harus dinaikkan. Karena dengan menaikkan compression ratio, maka efisiensi teoritis dan daya yang dihasilkan akan meningkat. Dari hasil penelitian yang disampaikan oleh Bp. Atok Setiyawan yang disampaikan di Seminar Nasional Teknologi 2007 Yogyakarta, unjuk kerja terbaik untuk engine dengan bahan bakar E85 yaitu pada compression ratio 10,2 : 1.
Gambar 4 Daya terhadap Putaran pada berbagai variasi Ignition Timing dan Compression Ratio [Atok Setiawan, 2007]
3
2.2.4 Unjuk bioethanol
kerja
engine
berbahan
bakar
Pada penelitian yang dilakukan oleh Joko Winarno, dosen Jurusan Teknik Mesin FTI Universitas Janabadra mengenai hasil unjuk kerja mesin motor menggunakan bahan bakar bioethanol dengan variasi campuran bioethanol 0%, 5%, 10%, 15%, dan 20%. dan spesifikasi mesin sebagai berikut: • Volume langkah 109cc • Rasio kompresi 9,6 : 1 Dihasilkan kesimpulan bahwa unjuk kerja mesin dengan bahan bakar bioethanol semakin meningkat dengan penambahan kadar bioethanol sampai 20%. Hal ini ditunjukkan dengan meningkatnya daya dan torsi mesin yang dihasilkan. Selain daya dan torsi yang meningkat, tetapi SFC juga membaik. Dibawah ini adalah tabel hasil pengujian unjuk kerja mesin sepeda motor menggunakan bahan bakar bioethanol dengan variasi campuran bioethanol 0%, 5%, 10%, 15%, dan 20%. Tabel 1 Angka oktan berbagai bahan bakar.[Joko Winarno]
Gambar 5 Grafik Daya terhadap Putaran pada berbagai variasi campuran ethanol dengan premium. E-20 menghasilkan daya paling besar [Joko Winarno]
Gambar 7 Grafik SFC terhadap putaran pada berbagai variasi campuran ethanol dengan premium. E-20 menghasilkan SFC paling baik [Joko Winarno]
Gambar 8 Pengertian compression ratio
dimana, Vs Vc D= S=
𝜋𝜋 . 𝐷𝐷 2 . 𝑆𝑆 4 Cr = compression ratio = swept volume = clearance volume bore diameter panjang stroke 𝑉𝑉𝑉𝑉 =
Rasio kompresi mesin tiger standar adalah 9,0 : 1 (mengacu pada spesifikasi standar Honda Tiger) dengan volume stroke 196,9cc dan panjang stroke 62,2 mm. Maka dapat dicari volume clearance sebagai berikut. 𝑉𝑉𝑉𝑉 (𝐶𝐶𝐶𝐶 − 1) 196,9 𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑉𝑉𝑉𝑉 = (9,0 − 1) 𝑉𝑉𝑉𝑉 = 24,6125𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑉𝑉𝑉𝑉 =
Gambar 6 Grafik torsi terhadap putaran pada berbagai variasi campuran ethanol dengan premium. E-20 menghasilkan torsi paling besar [Joko Winarno]
4
Jika kita ingin menaikkan rasio kompresi menjadi 10,2:1, maka kita harus memperbesar volume stroke karena volume clearance sulit untuk diubah. 𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉𝑉 . 𝐶𝐶𝐶𝐶 − 𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑉𝑉𝑉𝑉 = 24,6125𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑥𝑥 10,2 − 24,6125𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑉𝑉𝑉𝑉 = 224,43𝑐𝑐𝑐𝑐 Dari Vs yang didapat dari perhitungan maka bisa kita cari diameter piston yang dibutuhkan. Dalam hal ini panjang stroke tetap, karena untuk merubah panjang stroke diperlukan modifikasi yang lebih banyak. 4 𝐷𝐷 = � . 𝑉𝑉𝑉𝑉 𝜋𝜋 . 𝑆𝑆
4.6.2 Hasil pengujian SFC
𝐷𝐷 = �46,375𝑐𝑐𝑐𝑐2 𝐷𝐷 = 6,80𝑐𝑐𝑐𝑐 = 68 𝑚𝑚𝑚𝑚 Dari perhitungan di atas didapat ukuran piston yang harus diganti dari 63,5 mm menjadi 68 mm. Hasil dyno test Daya vs Putaran
SFC (kg/hp)
4 𝐷𝐷 = � . 226,43𝑐𝑐𝑐𝑐 𝜋𝜋 . 6,22𝑐𝑐𝑐𝑐
19
Dari grafik daya dan torsi di atas dapat dilihat bahwa terdapat peningkatan kualitas unjuk kerja pada engine hasil modifikasi. Hal ini ditunjukkan dengan meningkatnya daya engine pada engine berbahan bakar premium dari 15,52 HP menjadi 16,2 HP. Dengan penambahan kadar bioethanol juga menyebabkan meningkatnya daya engine menjadi 16,8 HP. Hal ini disebabkan karena bahan bakar E-15 memiliki angka oktan yang lebih tinggi dari premium. Dengan begitu E-15 lebih baik digunakan pada engine dengan rasio kompresi tinggi dari pada premium.
0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 3500
SFC vs
Premium Rc 9,6:1 Premium Rc 10,2:1 E-15 Rc 10,2:1
5500
7500
9500
11500
rpm Gambar 11 Grafik SFC terhadap Putaran pada berbagai variasi bahan bakar dan rasio kompresi.
17 15 daya (hp)
13 11
Premium Rc 9,0:1
9
Premium Rc 10,2:1
7
E-15 Rc 10,2:1
5 3500
7500 9500 11500 rpm Gambar 9 Grafik Daya terhadap Putaran pada berbagai variasi bahan bakar dan rasio kompresi.
19
5500
Torsi vs Putaran
17 15
torsi (Nm)
13 11
Premium Rc 9,0:1
9
Premium Rc 10,2:1
7
E-15 Rc 10,2:1
5 3500
5500
7500
9500
11500
rpm Gambar 10 Grafik Torsi terhadap Putaran pada berbagai variasi bahan bakar dan rasio kompresi.
Dari grafik SFC terlihat bahwa dengan adanya modifikasi pada engine, konsumsi bahan bakar menjadi meningkat. Hal ini disebabkan karena dengan memperbesar diameter bore, tidak hanya kompresi rasio saja yang meningkat, tetapi volume ruang bakar juga menjadi lebih besar. Sedangkan dengan menggunakan bahan bakar E-15, tidak terlihat adanya perubahan yang signifikan pada konsumsi bahan bakar.
5
Rangkaian system hybrid DINAMO AMPERE FEROSA
REM
KOPLING
BRUSHLESS CONTROLLER
MOTOR CUT OFF
2. Setiawan, Atok 2007, “PENGARUH IGNITION TIMING DAN COMPRESSION RATIO TERHADAP UNJUK KERJA DAN EMISI GAS BUANG MOTOR BENSIN BERBAHAN BAKAR CAMPURAN ETANOL 85% DAN PREMIUM 15% (E-85)”, Seminar Nasional Teknologi 2007,
Jurusan Teknik Mesin FTI ITS. SWITCH MAJU DAN MUNDUR
CDI
THROTTLE
MOTOR CDI CUT OFF
BRUSHLESS BATTERY
1:1 POWER ASSISTANCE
MODA PARKING
INDIKATOR BATERAI
KUNCI KONTAK
NEUTRAL GEAR INDIKATOR RPM ACTIVATED SWITCH
HIGH SPEED
ZERO SPEED
EECTRIC STARTER
ENGINE BATTERY
GENERATOR STANDAR TIGER
Gambar 12 Rangkaian sistem hybrid kendaraan SAPUJAGAD IV. KESIMPULAN Hasil yang didapatkan dari tugas akhir ini adalah dengan menaikkan rasio kompresi dari 9 menjadi 10,2 dan mengganti bahan bakar dari bensin menjadi E-15 adalah terjadi peningkatan daya dari 15,52 HP menjadi 16,8 HP, dan peningkatan torsi dari 15,2 Nm menjadi 16,8 Nm. Dari perancangan sistem hybrid dihasilkan wiring diagram yang dapat diterapkan pada kendaraan Sapujagad, dan dapat pula diterapkan pada kendaraan lain dengan melakukan penyesuaian pada spesifikasi. Dengan sistem hybrid ini kendaraan akan memiliki akselerasi lebih pada kecepatan rendah.
DAFTAR PUSTAKA 1. Winarno, Joko, 2011, “Studi Eksperimental Pengaruh Penambahan Bioethanol pada Bahan Bakar Pertamax Terhadap Unjuk Kerja Motor Bensin”. Jurusan Teknik Mesin FTI Universitas Janabadra Yogyakarta.
3. Sutantra, I. Nyoman, Teknologi Otomotif, Teknik Mesin ITS, Surabaya, 1999. 4. Prasetyo Devanta, Bayu dan Patriayudha, Fajar, 2009, “PEMAKAIAN GASOHOL SEBAGAI BAHAN BAKAR PADA KENDARAAN BERMOTOR”, Tugas Akhir Jurusan Teknik Kimia Universitas Diponegoro Semarang. 5. Listjorini, Erny, Sutantra, I Nyoman, dan Sampurno, Bambang, 2010, “PENGEMBANGAN TEKNOLOGI PENGENDALI SWITCHING PADA KENDARAAN HYBRID RODA DUA”, Seminar Nasional Pascasarjana X, ITS Surabaya.
