POLITEKNOSAINS EDISI KHUSUS DIES NATALIS
Juli 2012
STUDI EKSPERIMENTAL VARIASI TEKANAN BAHAN BAKAR DAN SUDUT PENGAPIAN ENGINE EFI BERBAHAN BAKAR GASOHOL E 20 TERHADAP EMISI GAS BUANG Arif Setyo Nugroho Staf Pengajar Akademi Teknologi Warga Surakarta
ABSTRACT Bioethanol is a potential renewable fuel, because it can be mixed with gasoline to gasohol. Research purposes is to determine the influence of ethanol content of E20 on the performance and characteristics the vehicle engine exhaust gases, by varying the fuel pressure and ignition timing . From the test results obtained, an increase in CO levels along with increased pressure fuel into the combustion chamber, The lower levels of HC combustion more complete, this shows little fuel is wasted. The higher levels of CO2 more perfect combustion. With the change of pressure variations will affect the size of the engine RPM. Where the greater the pressure and ignition timing is then lamdha (λ) will be much smaller . Key word : Gasohol,HC,Lamdha,CO,CO2 Pendahuluan Proses pembakaran yang terjadi diruang bakar merupakan serangkaian proses kimia yang melibatkan campuran bahan bakar berupa HC dengan oksigen,proses pembakaran ini menghasilakn empat macam gas buang berupa CO2, CO, NOx dan HC, keempat macam gas buang ini terbentuk pada proses pembakaran sempurnas dan tidak sempurna. Menaikan angka oktan pada mesin adalah salah satu upaya untuk meningkatkan kualitas bensin.Untuk mendapatkan bensin Studi Eksperimental Variasi…
dengan angka oktan yang cukup tinggi dapat ditempuh dengan beberapa caraantara lain : Menggunakan komponen yang beroktan tinggi sebagai bahan bakar, contohnya dengan penambahan alkohol atau menambahkan aditif peningkat angka oktan Pemakaian ethanol murni secara langsung pada mesin bensin akan sulit karena diperlukan banyak modifikasi. Pada temperatur rendah ethanol akan sulit terbakar, sehingga dengan ethanol murni mesin akan sulit 14
POLITEKNOSAINS EDISI KHUSUS DIES NATALIS
starting. Pencampuran ethanol dengan bensin akan mempermudah starting pada temperatur rendah. Mencampur ethanol dengan bensin akan menghasilkan gasohol. Dan komposisi ethanol dengan bensin pada komposisi tertentu akan menghasilkan performa mesin yang baik. Penurunan emisi gas buang karbon monoksida sebesar 50% sangatlah berarti, sehingga diharapkan nilai ambang batas ambien dari gas buang tidak akan terlampaui dalam waktu cepat, yang secara langsung akan mengurangi proses pemanasan global dan lokal. Pemakaian bahan bakar yang berasal dari campuran etanol dan bensin pada mesin engine stand EFI dengan perlakuan sudut throutel dan sudaut pengapian perlu dilakukan pengakajian selain kondisi seperti tersebut diatas, didasarkan hal tersebut diatas maka perlu dilakukan penelitian guna memperoleh hasil emisi gas buang. Tujuan Penelitian Untuk mengetahui pengaruh kadar etanol untuk gas buang mesin kendaraan. Dengan cara memvariasikan tekanan bahan bakar dan sudut pengapian .
Studi Eksperimental Variasi…
Juli 2012
Tinjauan Pustaka Bambang sugiarto (2002) dalam penelitiannya menjelaskan bahwa untuk menaikan angka oktan pada mesin adalah salah satu upaya untuk meningkatkan kualitas bensin.Untuk mendapatkan bensin dengan angka oktan yang cukup tinggi dapat ditempuh dengan beberapa cara antara lain : Menggunakan komponen yang beroktan tinggi sebagai bahan bakar ,contohnya dengan penambahan alkohol atau menambahkan aditif peningkat angka oktan Wei-Dong Hsieh (2002) dalam penelitiannya menjelaskan hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan meningkatkan kadar etanol, nilai panas bahan bakar dicampur menurun, sedangkan angka oktan dari campuran bahan bakar meningkat. Hal ini juga menemukan bahwa dengan meningkatnya kandungan etanol, uap Reid tekanan bahan bakar dicampur awalnya meningkat menjadi maksimum pada penambahan etanol 10%, dan kemudian menurun. Hasil uji mesin menunjukkan bahwa menggunakan etanol-bensin dicampur bahan bakar, torsi output dan konsumsi bahan bakar mesin sedikit meningkat; Emisi CO dan HC menurun secara dramatis sebagai 15
POLITEKNOSAINS EDISI KHUSUS DIES NATALIS
akibat dari pengaruh bersandar disebabkan oleh penambahan etanol dan CO2 emisi meningkat karena pembakaran ditingkatkan. Dan emisi NOx tergantung pada kadar campuran ethanol dan kondisi mesin. Atok Setiyawan (2007) dalam penelitiannya menjelaskan pemajuan ignition timing dan peningkatan compression ratio dapat menambah unjuk kerja motor bensin berbahan bakar E-85 bila dibandingkan dengan kondisi standar, meskipun masih dibawah unjuk kerja premium. Ignition timing terbaik dicapai pada 30_ BTDC sedangkan compressio ratio tercapai pada kondisi maksimum, yaitu 10,2:1. Berdasarkan variasi ignition timing dan compression ratio yang diteliti, hasil peneletian menunjukkan bahwa menentukan igntion timing yang tepat dapat memberikan perbaikkan unjuk kerja motor bensin secara signifikan dibandingkan dengan compression ratio. Mereduksi CO dan mengcompered emisi HC lebih baik pada sudut pengapian ini. Yu-Liang Chen dkk (2010),dalam penelitiannya menjelaskan untuk mengurangi jumlah polusi udara, desain baru kendaraan, seperti pengisian bahan bakar elektronik (EFI) mesin atau menggunakan bahan bakar Studi Eksperimental Variasi…
Juli 2012
alternatif adalah kebutuhan yang mebdesak. Dalam studi ini, dengan menggunakan etanol sebagai bahan bakar alternatif dalam mesin sepeda motor diselidiki dalam aspek analisis emisi dan kinerja mesin. Secara umum, output mesin, emisi gas buang CO dan NOx menurun dengan meningkatnya kandungan etanol dalam bahan bakar. Etanol campuran bensin-tinggi rasio (> 20%) menghasilkan pengurangan emisi lebih kecil dibandingkan rasio campuran rendah (<15%). Tolga Topgul dkk (2006) dalam penelitiannya menjelaskan bahwa bensin tanpa timbal yang dicampur dengan ethanol dengan campuran tertentu dapat meningkatkan torsi dan menurunkan emisi gas karbon monoksida dan hidrokarbon,dapat meningkatkan rasio kompresi tanpa terjadi knocking. Proses pembakaran akan terjadi jika unsur – unsur bahan bakar teroksidasi .Proses ini akan menghasilkan panas sehingga akan disebut sebagai proses oksidasi eksotermis.Jika oksigen yang dibutuhkan untuk proses pembakaran diperoleh dari udara,dimana udara terdiri dari 21 % oksigen dan 78 % nitrogen,maka reaksi stoikiometri pembakaran hidrokarbon murni CmHn dapat ditulis dengan persamaan 16
POLITEKNOSAINS EDISI KHUSUS DIES NATALIS
Juli 2012
Laju aliran massa udara adalah (1) Air Fuel Ratio (AFR) Dan Fuel Air Ratio. (FAR) Air Fuel Ratio adalah faktor yang mempengaruhi kesempurnaan proses pembakaran di dalam ruang bakar. Merupakan komposisi campuran bensin dan udara . Idealnya AFR bernilai 14,7 . Artinya campuran terdiri dari 1 bensin berbanding 14,7 udara atau disebut dengan istilah Stoichiometry. Pemakaian udara yang tidak stoikiometris, dikenal istilah Equivalent Ratio(ER). Equivalent Ratio (ER) atau Fuel Air Ratio (FAR) adalah perbandingan antara jumlah (bahan bakar/ udara) yang digunakan dan jumlah (bahan bakar/ udara) stoikiometris. Dengan demikian maka:FAR (lamda) = 1, berarti reaksi stoikiometris tetap sama dengan harga AFR ideal. (lamda) <1,berarti pemakaian udara kurang dari keperluan reaksi stoikiometris.(campuran kaya) ,(lamda) >1,berarti pemakaian udara lebih dari keperluan reaksi stoikiometris (campuran miskin) (2)
Mudara
= (4)
ρ.v.A
(kg/s)
Laju aliran bahan bakar adalah M bahan bakar = ρ.v.A (kg/s) (5) (6) Konsumsi bahan bakar spesifik (Sfc) (7) Besarnya laju aliran massa bahan bakar (mf) (8)
(3)
Metodologi Pengujian untuk mengetahui karakter hasil pembakaran atau sifat gas buang dari pengujian bahan bakar E 20,Pengujian dilakukan dengan engine stand jenis mesin kijang K7E.Kemudian pengujian dilakukan dengan menvariasikan tekanan pada sudut pengapian 8º,10º,12º,dan 15º dan pada tekanan 2.25,2.5,3,3.5 setiap sudut pengapian pada keadaan stasioner. Bahan bakar yang digunakan adalah campuran bahan bakar ethanol dan premium atau sering disebut gasohol E 20,kadar ethanol yang digunakan adalah 96 %.
Studi Eksperimental Variasi…
17
POLITEKNOSAINS EDISI KHUSUS DIES NATALIS
Pengambilan data pada tekanan yang bervariasi dan pada kondisi rpm stationer menyebabkan emisi gas buang mempunyai kandungan kadar komponen yang terbesar ,bahwa gas karbon monoksida yang berasal dari gas buang kendaraan akan sangat tinggi pada saat motor dioperasikan pada beban yang besar dan putaran yang rendah, pada kondisi macet inilah maka motor beroperasi pada beban yang tinggi namun putaran rendah. Ini mengakibatkan, gas karbon monoksida yang dilepas ke lingkungan akan semakin tinggi pada saat macet. Pengujian dilakukan untuk mengetahui fenomena yang terjadi pada mesin Otto (kijang K 7 E) dengan menggunakan bahan bakar premium dan gashohol E 20.Parameter utama yang diamati yaitu komponen gas buang dengan cara memvariasikan sudut pengapian dan tekanan bahan bakar yang masuk di ruang bakar,analisa gas buang yang dihasilkan. Pengujian ini didasarkan pada kondisi sebagai berikut : 1. Tekanan udara luar standar 1 atm. 2. Bahan bakar yang digunakan Gasohol E20 3. Rpm stasioner mesin mengikuti variasi sudut pengapian.
Studi Eksperimental Variasi…
Juli 2012
4. Mesin yang digunakan adalah engine stand (kijang K 7 E) 5. Pengaturan tekanan di lakukan dengan cara pemasangan katup dan alat ukur tekanan.
Gambar 1 pemasangan alat uji pada engine
Hasil dan Pembahasan Ethanol (E20) Campuran Ethanol dan gasoline.Ethanol (C2H5OH) = 20 % & Gasoline (C8H18) = 80 % Campuran ideal untuk pembakaran antara udara dan masing-masing senyawa penyusun bensin dapat dihitung dari massa relatif masingmasing atom dan kesetimbangan reaksi kimia. Massa relatif atomatom penyusun bensin dan oksigen adalah:Carbon,C: 12; Hidrogen, H : 1; Oxygen, O : 16;Nitrogen ,N :14. Reaksi Stoikiometrinya : [C2H5OH + 4C8H18] + 53[O2 + 3,76N2] 34CO2 + 39H2O + 199,28N 2 (9) C2H5OH + 4C8H18 + 53 O2 + 199,28 N2 34CO2 + 39 H2O + 199,28 N2 (10) 18
POLITEKNOSAINS EDISI KHUSUS DIES NATALIS
Emisi gas buang lebih banyak terjadi akibat pembakaran yang tidak sempurna. Pada langkah pembakaran, sebagian dari campuran bahan bakar udara tersebut tidak ikut terbakar akibat pembakaran yang tidak sempurna. Hal ini menimbulkan gas HC yang masih berupa hidrokarbon (CxHy).Pada tahap ini sebagian hidrokarbon bahan bakar yang akan bereaksi dengan udara menjadi gas CO akibat reaksi pada temperatur tinggi dan kekurangan O2. Jika campuran bahan bakar dengan udara berlebih maka gas NO juga akan timbul pada saat temperatur tinggi. Pembakaran sempurna mempunyai produk CO2 dan H2O. Sedang kan pembakaran yang tidak sempurna menghasilkan produk tambahan CO, HC, NOX, dan partikulat. Emisi inilah yang relatif berbahaya terhadap manusia dan lingkungan.
Juli 2012
Dari gambar 3 data hasil pengujian dapat diketahui besarnya masing – masing unsur gas buang dimana setiap unsurnya memiliki besaran yang bervariasi No
1
Sudut peng awas
Tekanan (kg/cm²)
RPM Stasioner
CO (%Vol)
CO₂ (%Vol)
HC (%Vol)
O₂ (%Vol)
2.25
1050
5.29
9
327
1617
1.419
2.5
1050
5.35
8.9
331
18.6
1.482
3
1000
9.04
8.3
381
17.7
1.419
8⁰
2 10⁰
3 12⁰
4 15⁰
3.5
990
9.36
8.1
403
16.1
1.345
2.25
1110
5.3
8.7
373
18.7
1.493
2.5
1070
5.74
8.3
421
16.8
1.4
3
1090
9.24
8.3
455
17.1
1.388 1.326
3.5
1040
9.76
7.8
498
16.1
2.25
1160
8.12
8.7
392
17.8
1.464
2.5
1110
8.63
8.2
432
17.6
1.436
3
1070
9.26
7.9
474
18.3
1.435
3.5
1070
9.61
7.6
588
17.4
1.383
2.25
1240
8.33
8.5
569
18.2
1.465
2.5
1240
8.57
7.9
600
14.8
1.329
3
1150
9.56
7.7
654
17.5
1.32
3.5
1150
9.69
7.4
645
16.3
1.314
Gambar 3 data hasil pengujian
Data
diambil berdasarkan hasil pengujian dengan memvariasikan sudut pengapian dan mengatur tekanan bahan bakar yang masuk ke injektor dengan mengendalikan saluran bahan bakar.
Gambar 2 alat uji gas analiser
Studi Eksperimental Variasi…
LANDH Aω
19
POLITEKNOSAINS EDISI KHUSUS DIES NATALIS
Juli 2012
status proses pembakaran di ruang bakar,dengan memvariasikan tekanan dan sudut pengapian
Gambar 4 grafik pengaruh tekanan terhadap kadar CO.
Dari gambar 4 dapat diketahui bahwa adanya peningkatan kadar CO seiring dengan peningkatan tekanan bahan bakar yang masuk ke dalam ruang bakar,sehingga mempengaruhi pembakaran diruang bakar.Kadar CO adalah kadar yang perlu ditekan karena CO adalah racun. Kadar CO dipengaruhi oleh kecilnya nilai lambda, harga lambda yang dibawah 1 maka campuran dianggap kaya, naiknya jumlah bahan bakar yang masuk keruang bakar menyebabkan jumlah oksigen yang terpakai bisa 100%. Pengaturan jumlah bahan bakar pada mesin EFI yang perlu dilakukan pengkondisian adalah nosel, ataupun proses pembakarannya khususnya kondisi busi. Dari gambar 5 menunjukan adanya korelasi penurunan kadar CO2 seiring dengan kenaikan tekanan bahan bakar. Konsentrasi CO2 menunjukkan secara langsung Studi Eksperimental Variasi…
Gambar 5 grafik pengaruh tekanan terhadap kadar CO2.
Semakin tinggi kadar CO 2 dalam emisi gas buang maka semakin baik,artinya pembakaran didalam ruang bakar adalah pembakaran yang sempurna. Saat AFR berada di angka ideal, emisi CO2 berkisar antara 12% sampai 15%.
Gambar 6 grafik pengaruh tekanan terhadap kadar O2
Gambar 6 menerangkan adanya kebutuhan udara terutama O2 guna pembakaran sempurna didalam motor bakar. Konsentrasi dari oksigen di gas buang 20
POLITEKNOSAINS EDISI KHUSUS DIES NATALIS
kendaraan berbanding terbalik dengan konsentrasi CO2. Untuk mendapatkan proses pembakaran yang sempurna, maka kadar oksigen yang masuk ke ruang bakar harus mencukupi untuk setiap molekul hidrokarbon. Kondisi ini memungkinkan molekul bensin dan molekul udara dapat dengan mudah bertemu untuk bereaksi dengan sempurna pada proses pembakaran.
Juli 2012
,pada kondisi bahan menggunakan E 20.
bakar
Gambar 8 grafik pengaruh tekanan terhadap RPM stasioner.
Gambar 8 mengenai hubungan tekanan terhadap RPM stasioner ,dapat diketahui bahwa dengan adanya perubahan variasi tekanan akan mempengaruhi besar kecilnya RPM engine.
Gambar 7 grafik pengaruh tekanan terhadap lamdha (λ)
Dari gambar 7 dapat diketahui adanya pengaruh tekanan terhadap lamdha (λ). Dimana semakin besar tekanan dan sudut pengapian maka lamdha (λ) akan semakin mengecil artinya AFR actual nya semakin mengecil pada AFR stoic tetap.Dan ini berpengaruh pada kondisi gas buang yang dihasilkan semakin tinggi tekanan dan sudut pengapian maka lamdha (λ) akan mengecil dan CO akan membesar dan artinya akan merugikan lingkungan dan manusia,karena sifat CO yang banyak sekali merugikan manusia Studi Eksperimental Variasi…
KESIMPULAN 1. Peningkatan kadar CO seiring dengan peningkatan tekanan bahan bakar yang masuk ke dalam ruang bakar,sehingga mempengaruhi pembakaran diruang bakar. Apabila unsurunsur oksigen (udara) tidak cukup, akan terjadi proses pembakaran tidak sempurna 2. Semakin kecil kadar HC pembakaran semakin sempurna, ini menunjukan sedikitnya bahan bakar yang terbuang. Semakin tinggi kadar HC semakin banyak sisa bahan bakar mentah (gas yang tidak terbakar setelah gagal pengapian) yang terbuang pada 21
POLITEKNOSAINS EDISI KHUSUS DIES NATALIS
proses pembakaran, ini menunjukan banyaknya bahan bakar yang terbuang percuma. 3. Semakin tinggi kadar CO2 semakin sempurna pembakarannya dan besarnya kandungan CO2 berkebalikan dengan kandungan CO dalam emisi gas buang. 4. Dengan adanya perubahan variasi tekanan akan mempengaruhi besar kecilnya RPM engine. 5. Dimana semakin besar tekanan dan sudut pengapian maka lamdha (λ) akan semakin mengecil artinya AFRactual semakin mengecil pada AFRstoic tetap.Dan ini berpengaruh pada kondisi gas buang yang dihasilkan semakin tinggi tekanan dan sudut pengapian maka lamdha (λ) akan mengecil dan CO akan membesar dan artinya akan merugikan lingkungan dan manusia,karena sifat CO yang banyak sekali merugikan manusia ,pada kondisi bahan bakar menggunakan E 20. 6. Pada proses pencampuran ethanol dan bensin harus betul – betul diperhatikan dalam prosentasenya ,begitu pula proses penuangan pada tangki bahan bakar ,adanya air dibawah setelah diamkan Studi Eksperimental Variasi…
Juli 2012
sesaat harus dibuang dan tidak dimasukan kedalam tangki bahan bakar,karena bisa menghambat proses pembakaran dan dapat menimbulkan korosif. Dan yang tidak kalah penting adalah kondisi sistem pengapian yang betul betul baik. DAFTAR PUSTAKA Arismunandar, Wiranto, 2000, Penggerak Mula: Motor Bakar Torak, Penerbit ITB, Edisi kelima cetakan kesatu, Bandung. Atok Setiyawan, 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 (SNT 2007), ISSN : 1978 – 9777,Jogjakarta. Bambang Sugiarto,2007,Analisa mesin Otto berbahan bakar premium dengan penambahan Aditif Oksigenat dan Aditif pasaran,SNTTM-VI Universitas Syiah Kuala. Hendrata Suhada,2002,Desain Motor Bakar bensin Untuk Mencapai Persyaratan Standar Polusi Dan Penghematan 22
POLITEKNOSAINS EDISI KHUSUS DIES NATALIS
Bahan Bakar,jurusan T mesin,Universitas Kristen Petra. I Gusti Gde Badrawada, 2008, Pengaruh perubahan Sudut pengapian terhadap Prestasi mesin Motor 4 langkah,Forum Teknik Vol 32 No 3,IST Akprind,Jogjakarta. John B Heywood,1988,Internal Combustion Engine Fundamentals,McGrawHillbook Company, New york. La Ode M,Pemanfaatan Bio Ethanol sebagai Bahan bakar Kendaraan Berbahan Bakar Premium,Prosiding Prospek pengembangan bio fuel sebagai substitusi bahan bakar minyak. Martins L.D, M.F.Andrade.,2008,Emission Scenario Assessment of Gasohol Reformulation Proposals and Ethanol Use in the Metropolitan Area of São Paul, The Open Atmospheric Science Journal, Department of Atmospheric Sciences, Institute of Astronomy, Geophysics and Atmospheric Sciences, University of São Paulo, Brazil. M.A. Hamdan,2010, ”Simulation Of Compression Ignition Engine Powered By Biofuels,Department of Studi Eksperimental Variasi…
Juli 2012
Mechanical engineeringUniversity of Jordan”. Amman-Jordan Tolga Topgull,Huseyin Serdar Yucesu,can Cinar,Atilla Koca,2006,”the effeccts of Ethanol – Unleaded gasolin Blends And Ignition timing on Engine performance And Exhaust Emision”,Science Direct Renewable Energy 2534-2542. Wei-Dong Hsieh, Rong – Hong Chen,Tsung-Lin Wu,Ta-Hui Lin,2002,”Engine Performance And Pollutant Emission Of An SI Engine Using Ethanol– Gasoline BlendedFuels”,Atmospheric Environment , Taiwan. Yu-Liag Chen, Suming Chen,Chao-Yin Tsai,RueiHong Sun,Jin-Ming Tsai,SenYuan Liu,Hsin,Hsiung Fang, 2010,”Effects Of Ethanol– Gasoline Blends On Engine Performance And Exhaust Emissions In Motorcycle”.Proceedings of the 5th International Symposium on Machinery and Mechatronics for Agriculture and Biosystems Engineering (ISMAB), Fukuoka, Japan .
23
