TUGAS AKHIR
PENGUJIAN EMISI GAS BUANG PADA MESIN BENSIN MENGGUNAKAN CAMPURAN BAHAN BAKAR BENSIN DAN BIO-ETHANOL DARI UBI KAYU Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menempuh gelar Sarjana Strata Satu (S1)
Disusun oleh :
HASORI 41307120027
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2009
LEMBAR PENGESAHAN
NIM
:
41307120027
Nama
:
HASORI
Judul Skripsi :
PENGUJIAN EMISI GAS BUANG PADA MESIN BENSIN MENGGUNAKAN CAMPURAN BAHAN BAKAR BENSIN DAN BIO-ETHANOL DARI UBI KAYU
SKRIPSI INI TELAH DIPERIKSA DAN DISETUJUI JAKARTA, AGUSTUS 2009
Ir. Ruli Nutranta, M.Eng Pembimbing
Dr. Ir. Abdul Hamid, M.Eng Koord. Tugas Akhir Teknik Mesin
Dr. Ir. Abdul Hamid, M.Eng KaProdi Teknik Mesin
ii
LEMBAR PERNYATAAN
Yang bertanda tangan dibawah ini: NIM
:
41307120027
Nama
:
HASORI
Judul Skripsi :
PENGUJIAN EMISI GAS BUANG PADA MESIN BENSIN MENGGUNAKAN CAMPURAN BAHAN BAKAR BENSIN DAN BIO-ETHANOL DARI UBI KAYU
Menyatakan bahwa skripsi tersebut diatas adalah hasil karya saya sendiri dan bukan plagiat. Apabila ternyata ditemukan didalam laporan skripsi saya terdapat unsur plagiat, maka saya siap untuk mendapatkan sanksi akademik yang terkait dengan hal tersebut.
Jakarta, Agustus 2009
(Hasori)
iii
KATA PENGANTAR
Puji syukur Alhamdulillah kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan segala rahmat dan karuniaNya, sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir yang merupakan salah satu persyaratan untuk menyelesaikan program studi strata satu (S1) pada Jurusan Teknik Mesin Universitas Mercu Buana. Penulis menyadari bahwa laporan tugas akhir ini masih jauh dari sempurna. Karena itu, kritik dan saran akan senantiasa penulis terima dengan senang hati. Dengan segala keterbatasan, penulis menyadari pula bahwa laporan tugas akhir ini tidak akan terwujud tanpa bantuan, bimbingan, dan dorongan dari berbagai pihak. Untuk itu, dengan segala kerendahan hati, penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada: 1. Ibunda tercinta yang telah mendukung penulis baik spirit maupun materi. 2. Istri, dan kedua anaku tercinta yang selalu memberikan semangat untuk terus meyelesaikan studi ini. 3. Bapak Ir. Ruli Nutranta, M.Eng., selaku pembimbing tugas akhir pada Jurusan Teknik Mesin Universitas Mercu Buana. 4. Ir. Dr. Abdul Hamid, M.Eng. Selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin. 5. Ir. Nanang Ruhyat, M.Eng. Selaku Koordinator Sidang Tugas Akhir. 6. Bapak dan Ibu dosen Jurusan Teknik Mesin yang telah mentransfer ilmu pengetahuan dan pengajaran selama masa perkuliahan baik secara langsung maupun tidak langsung. 7. Seluruh staf TU Fakultas Teknologi Industri. iv
8. Terima kasih kepada PT. Panca Jaya Setia yang telah memberikan ijin penggunaan alat ukur emisi gas buang. 9. Rekan-rekan PKSM Angkatan 12 D3: Pak Yanuar, Pak Sulis, Pak Arif, Pak Marzuki, Pak Pramono, Pak Abdul, Pak Andi, Pak Miftah, Sdr Geri, Pak Anshar, Pak Ahmad, Pak Dedi, dan semua rekan-rekan teknik mesin yang tidak dapat disebutkan satu-persatu dimana telah memberikan bantuan baik secara langsung maupun tidak langsung, yang ikut membantu penulis dalam penyusunan tugas akhir ini.
Semoga Allah SWT membalas kebaikan dan selalu mencurahkan taufik dan hidayah-Nya, Amin. Jakarta, Agustus 2009
Penulis
v
ABSTRAK Bensin adalah bahan bakar yang penting dalam sektor transportasi, khususnya pada transportasi darat seperti kendaraan pribadi dan transportasi umum. Bensin memiliki banyak keunggulan, disamping itu juga menimbulkan masalah efek samping sebagai salah satu bahan bakar fosil. Bahan bakar fosil selain keterbatasan ketersediaan didunia yang sudah menipis, juga menimbulkan efek samping dalam bentuk emisi gas buang sisanya. Dengan tujuan mengurangi penggunaan bahan bakar bensin, penggunaan bioethanol sebagai bahan bakar alternatif campuran sudah mulai banyak digunakan masyarakat. Dalam pengujian ini dilakukan dengan menggunakan mesin Hyundai Atoz 1100 cc dengan bahan bakar standardnya adalah bensin. Pengujian dilakukan dengan tiga tahap pencampuran bioethanol yaitu campuran bioethanol 0%, 10% dan 20%. Masingmasing tahapan campuran tersebut dilakukan pengujian dengan berbagai variasi kecepatan mesin yaitu 850 rpm, 1500 rpm, 2000 rpm, 2500 rpm dan 3000 rpm Pengujian emisi bahan bakar bensin dengan menggunakan campuran bioethanol 0% pada putaran idle menghasilkan emisi gas CO sebesar 1,895%, sedangkan pada penambahan bioethanol 10% menghasilkan nilai kandungan CO 0,275% dan bioethanol 20% adalah 0,13%. Sedangkan kandungan gas HC dengan penambahan bioethanol 0% adalah 357,5 ppm dan penambahan bioethanol 10% adalah 376,5 ppm dan bioethanol 20% adalah 227 ppm sehingga dalam penelitian ini membuktikan bahwa emisi gas buang pada kendaraan dengan mencampurkan bioethanol dapat mengurangi emisi gas HC dan CO. Kata kunci: Bensin, emisi gas buang, bahan bakar alternatif, bioethanol.
vi
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL .......................................................................................
i
HALAMAN PENGESAHAN..........................................................................
ii
HALAMAN PERNYATAAN.........................................................................
iii
KATA PENGANTAR .....................................................................................
iv
ABSTRAK ........................................................................................................
vi
DAFTAR ISI .....................................................................................................
vii
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................
x
DAFTAR TABEL .............................................................................................
xi
DAFTAR GRAFIK ...........................................................................................
xii
BAB I PENDAHULUAN ................................................................................
1
1.1 Latar Belakang Masalah ...............................................................................
1
1.2 Tujuan Penulisan ..........................................................................................
2
1.3 Pembatasan Masalah ....................................................................................
2
1.4 Manfaat Penulisan ........................................................................................
3
1.5 Metode Penulisan .........................................................................................
3
1.6 Sistematika Penulisan ..................................................................................
4
BAB II LANDASAN TEORI ..........................................................................
6
2.1 Motor Bakar Torak .......................................................................................
6
2.1.1 Prinsip Kerja Motor Bakar Torak ....................................................
7
2.2 Siklus Pembakaran ....................................................................................... vii
10
2.2.1 Siklus Otto ........................................................................................
11
2.2.2 Siklus Diesel .....................................................................................
13
2.2.3 Siklus Gabungan ...............................................................................
14
2.3 Bahan Bakar dan Proses Pembakaran ...........................................................
17
2.3.1 Mesin Bensin / Otto ..........................................................................
17
2.3.1.1 Sistem Penyalaan pada Mesin Bensin / Otto ......................
17
2.3.2 Mesin Diesel .....................................................................................
18
2.3.2.1 Proses Penyemprotan Bahan Bakar Pada Mesin Diesel .....
19
2.3.3 Reaksi Kimia Pembakaran ................................................................
19
2.4 Proses Pembentukan dan Karakteristik Gas Buang ......................................
20
2.4.1 Karbon Monoksida (CO) ..................................................................
20
2.4.2 Hidrokarbon (HC) .............................................................................
21
2.4.3 Nitogen Oksida (NOx) .......................................................................
21
2.5 Bio-Ethanol ....................................................................................................
22
2.5.1 Karakteristik Bahan Bakar Ethanol....................................................
23
2.6 Perawatan dan Modifikasi Mesin Bensin yang Menggunakan Bio-ethanol...
25
BAB III METODE PENGUJIAN EMISI GAS BUANG ................................ 28 3.1 Diagram Alir Metodologi Penelitian ..............................................................
28
3.2 Spesifikasi Kendaraan dan Alat Ukur ............................................................. 29 3.2.1 Spesifikasi Kendaraan ......................................................................... 29 3.2.2 Spesifikasi alat ukur uji emisi .............................................................. 30 3.2.3 Spesifikasi Diagnostic Scan Tool ........................................................ 30 3.3 Metode Pengujian ............................................................................................ 30 viii
3.4 Prosedur Pengambilan Data ............................................................................. 30 BAB IV ANALISA PEMBAHASAN ................................................................. 34 4.1 Data-data Hasil Pengujian ................................................................................ 34 4.2 Analisa Hasil Pengujian ................................................................................... 35 4.2.1 Kandungan Emisi CO (Karbon Monoksida) ........................................ 35 4.2.2 Kandungan Emisi CO2 (Karbon Dioksida) .......................................... 37 4.2.3 Kandungan Emisi HC (Hidro Karbon) ................................................. 38 4.2.4 Kandungan Emisi O2 (Oksigen) .......................................................... 39 4.2.5 Lambda ................................................................................................ 40 4.3 Peningkatan/Penurunan Nilai Kandungan Emisi Gas Buang .......................... 42 4.4 Emisi Gas Buang saat Idle ............................................................................... 43 BAB V PENUTUP ............................................................................................... 44 5.1 Kesimpulan ...................................................................................................... 44 5.2 Saran ................................................................................................................. 45 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
ix
DAFTAR GAMBAR
Gambar.2.1
Skema kerja langkah hisap ............................................................
8
Gambar.2.2
Skema kerja langkah kompresi ......................................................
8
Gambar.2.3
Skema kerja langkah ekspansi/kerja ..............................................
9
Gambar. 2.4 Skema kerja langkah buang ...........................................................
10
Gambar.2.5
Siklus Otto .....................................................................................
11
Gambar.2.6
Siklus Diesel ..................................................................................
13
Gambar.2.7
Siklus gabungan .............................................................................
15
Gambar 3.1
Diagram alir metodologi pengujian ...............................................
28
Gambar 3.2
Ultrascan Plus Hanatech ................................................................
31
Gambar 3.3
Gas analyzer IM2400 Hanatech dan pemasangannya ...................
33
x
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1. Data emisi gas buang dengan bahan bakar 100% Premium–0% Bioethanol .... 34 Tabel 4.2. Data emisi gas buang dengan bahan bakar 90% Premium–10% Bioethanol .... 34 Tabel 4.3. Data emisi gas buang dengan bahan bakar 80% Premium - 20% Bioethanol ... 35 Tabel 4.4 Prosentase penurunan kandungan CO ................................................................ 37 Tabel 4.5 Emisi gas buang kondisi putaran idle................................................................... 43
xi
DAFTAR GRAFIK Grafik 4.1 Karakteristik Kandungan CO (%) Dalam Gas Buang Hasil Pengujian ........
36
Grafik 4.2 Karakteristik Kandungan CO2 (%) Dalam Gas Buang Hasil Pengujian .........
38
Grafik 4.3 Karakteristik Kandungan HC (ppm) Dalam Gas Buang Hasil Pengujian .......
38
Grafik 4.4 Karakteristik Kandungan O2 (%) Dalam Gas Buang Hasil Pengujian ............ 39 Grafik 4.5 Karakteristik nilai Lambda Dalam Gas Buang Hasil Pengujian ...................... 45
xii
TUGAS AKHIR
PENGUJIAN EMISI GAS BUANG PADA MESIN BENSIN MENGGUNAKAN CAMPURAN BAHAN BAKAR BENSIN DAN BIO-ETHANOL DARI UBI KAYU Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menempuh gelar Sarjana Strata Satu (S1)
Disusun oleh :
HASORI 41307120027
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2009
BAB I PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang Masalah Kelangkaan bahan bakar minyak yang terjadi belakangan ini telah
memberikan dampak yang sangat luas di berbagai sektor kehidupan. Sektor yang paling cepat terkena dampaknya adalah sektor transportasi. Fluktuasi suplai dan harga minyak bumi seharusnya membuat kita sadar bahwa jumlah cadangan minyak yang ada di bumi semakin menipis. Karena minyak bumi adalah bahan bakar yang tidak bisa diperbarui maka kita harus mulai memikirkan bahan penggantinya. Selain itu pembakaran bahan bakar fosil ini telah memberikan dampak negatif terhadap lingkungan. Kualitas udara yang semakin menurun akibat asap pembakaran minyak bumi, adalah salah satu efek yang dapat kita lihat dengan jelas. Kemudian efek gas rumah kaca yang ditimbulkan oleh gas CO2 hasil pembakaran minyak bumi. Seperti kita ketahui pembakaran bahan bakar fosil yang tidak sempurna akan menghasilkan gas CO2, yang lama kelamaan akan menumpuk di atmosfir. Radiasi sinar matahari yang dipancarkan ke bumi seharusnya dipantulkan kembali ke angkasa, namun penumpukan CO2 ini akan menghalangi pantulan tersebut. Akibatnya radiasi akan kembali diserap oleh bumi yang akhirnya meningkatkan temperatur udara di bumi. Kedua efek tersebut hanya sebagian dari efek negatif bahan bakar fosil yang kemudian masih diikuti serangkaian efek negatif lain bagi manusia. Oleh karena
1
itu pemakaian suatu bahan bakar terbarukan yang lebih aman bagi lingkungan adalah suatu hal yang mutlak. Salah satu alternative untuk mengurangi ketergantungan pemakaian bahan bakar fosil ialah dengan bahan penggunaan Bioethanol. Penggunaannya dengan mencampurkan bioethanol yang merup;akan bahan bakar terbaharukan pada bahan bakar fosil (dalam hal ini premium) dengan konsentrasi tertentu. Dengan ditemukannya bahan bakar alternatif bio-ethanol diharapkan akan menjadi bahan bakar pengganti bahan bakar fosil yang tidak menimbulkan emisi atau paling tidak mengurangi emisi gas buang pada kendaraan.
1.2
Tujuan Penulisan Berdasarkan latar belakang masalah yang telah diuraikan diatas maka
penulisan tugas akhir ini bertujuan untuk mengetahui efisiensi penggunaan bioethanol pada mesin bensin yang menggunakan sistem injeksi bahan bakar dalam menurunkan emisi gas buang.
1.3
Pembatasan masalah Pada penulisan tugas akhir ini penulis memberikan batasan-batasan mengenai
isi penulisan tugas akhir, yaitu: 1. Penulisan tugas akhir ini hanya membandingkan kadar emisi gas buang dengan menggunakan campuran bioethanol 0%, 10 %, dan 20 % terhadap bahan bakar premium. 2
2. Pengambilan data dilakukan pada saat mesin beroperasi dalam keadaan steady (tetap) dan tidak diberikan pembebanan. 3. Penelitian tidak melihat pengaruh bahan bakar terhadap kekuatan mesin. 4. Hal yang berkaitan dengan temperatur, kerugian panas, kerugian daya akibat gesekan (kerugian mekanis) pada mesin tidak dibahas.
1.4
Manfaat Penulisan Manfaat penulisan tugas akhir ini adalah agar pembaca dapat mengetahui
alternatif bahan bakar Bioethanol yang dapat mengurangi emisi gas buang yang sangat berbahaya menjadi gas yang ramah terhadap lingkungan.
1.5
Metode Penulisan Metode penulisan yang dilakukan pada tugas akhir ini adalah sebagai berikut: 1. Metode Literatur Yaitu dengan cara mencari referensi-referensi, dan artikel-artikel yang menunjang penulisan tugas akhir.
3
2. Metode Eksperimen Terdiri dari: •
Set up alat Set up alat dilakukan dengan cara memasang alat-alat ukur yang diperlukan untuk pengujian pada mesin yang akan diuji, sehingga mesin menjadi siap untuk pengujian.
•
Pengujian dan analisa data Melakukan pengujian terhadap emisi gas buang mesin Hyundai Atoz 1.1 dengan menggunakan bahan bakar premium dan campuran bioethanol kemudian menganalisa hasil dari pengujian tersebut.
1.6
Sistematika Penulisan Sistematika penulisan dalam tugas akhir ini adalah sebagai berikut:
BAB I
PENDAHULUAN Bab ini menjelaskan mengenai latar belakang masalah, tujuan penulisan, manfaat penulisan, metode penulisan, dan sistematika penulisan tugas akhir.
BAB II
LANDASAN DASAR TEORI Bab ini menjelaskan secara singkat teori dasar secara umum tentang motor bakar, reaksi pembakaran, emisi gas buang, upaya-upaya untuk mengendalikan gas buang dan alternatif bahan bakar bioethanol.
4
BAB III
METODE PENGUJIAN EMISI GAS BUANG Bab ini berisikan tentang skema dan instalasi pengujian diantaranya metode untuk memperoleh campuran stoichiometri dan alat-alat ukur yang digunakan.
BAB IV
ANALISA PEMBAHASAN Bab ini akan mengulas mengenai analisa hasil pengujian emisi gas buang berdasarkan pemakaian bioethanol yang dicampur ke premium.
BAB V
PENUTUP Bab ini berisikan tentang kesimpulan yang didapatkan secara keseluruhan, dan juga saran yang sekiranya dapat membantu untuk pengembangan penulisan ini lebih lanjut.
5
BAB II LANDASAN TEORI
Diawal perkembangan jaman industri, salah satu jenis penggerak mula yang sering dipakai adalah mesin kalor yaitu mesin yang menggunakan energi thermal agar dapat melakukan kerja mekanik. Ditinjau dari cara memperoleh energi thermal mesin kalor dibagi mejnadi dua golongan, yaitu mesin pembakaran luar dan mesin pembakaran dalam. Mesin pembakaran luar adalah mesin yang pembakarannya terjadi diluar mesin, energi thermal dari hasil pembakaran dipindahkan ke fluida kerja mesin melalui beberapa dinding pemisah, contohnya mesin uap. Mesin pembakaran dalam atau yang sering disebut juga dengan motor bakar adalah mesin yang proses pembakarannya berlangsung di dalam motor bakar itu sendiri.
2.1
Motor Bakar Torak Motor bakar torak adalah salah satu unit konversi energi yang dapat
mengubah energi potensial menjadi energi panas dan kemudian dapat dirubah menjadi kerja mekanik. Tujuan utama dirancangnya suatu motor bakar adalah untuk menghasilkan suatu daya keluaran yang berguna. Daya keluaran yang dihasilkan adalah berasal dari pencampuran udara-bahan bakar dengan komposisi yang tepat kemudian dibakar dengan maksud agar energi dari proses pembakaran tersebut dapat dirubah menjadi energi mekanik. 6
Komposisi yang tepat antara jumlah massa bahan bakar dengan udara adalah kurang lebihnya 1 berbanding 15, akan tetapi jumlah massa udara yang dapat dimasukan ke dalam silinder terbatas oleh volume silinder. Semakin banyak campuran udara-bahan bakar yang terbakar maka akan semakin besar pula daya mekanik yang dihasilkan.
2.1.1
Prinsip Kerja Motor Bakar Torak Motor bakar torak terbagi menjadi dua jenis berdasarkan dengan proses
pembakarnnya, yaitu: 1. Motor bakar 2 langkah. 2. Motor bakar 4 langkah Motor bakar 4 langkah adalah motor bakar yang mengaplikasikan 4 langkah kerja di dalam satu siklusnya yaitu langkah hisap, langkah kompresi, langkah ekspansi/kerja dan langkah buang. Sedangkan motor bakar 2 langkah adalah motor bakar yang mengaplikasikan 2 langkah kerja di dalam satu siklusnya yaitu langkah hisap dan langkah buang berlangsung secara bersamaan yaitu pada saat torak berada di TMA (Titik Mati Atas). Dari kedua prinsip motor bakar diatas tiap langkah yang dihasilkan dapat memutarkan poros engkol. Berikut ini akan dijelaskan langkah kerja pada motor bakar torak 4 langkah, yaitu: 1. Langkah Hisap
7
Gambar.2.1
Skema kerja langkah hisap
Ketika posisi katup masuk terbuka dan katup buang tertutup, torak bergerak dari titik mati atas (TMA) menuju titik mati bawah (TMB). Melalui katup hisap yeng terbuka maka campuran udara bahan bakar terhisap masuk ke dalam ruang silinder. 2. Langkah Kompresi
Gambar.2.2 Skema kerja langkah kompresi Setelah mencapai TMB, torak kembali menuju TMA. Posisi kedua katup tertutup. Campuran udara-bahan bakar terkurung dalam silinder dan dimampatkan oleh torak yang bergerak menuju TMA. Volume campuran
8
udara-bahan bakar menjadi kecil oleh karena itu tekanan dan temperaturnya naik sehingga campuran tadi mudah sekali terbakar. 3. Langkah Ekspansi/Kerja
Gambar.2.3 Skema kerja langkah ekspansi/kerja Pada saat torak hampir mencapai TMA campuran udara-bahan bakar dinyalakan, maka terjadilah proses pembakaran sehingga tekanan dan temperaturnya naik. Akhirnya torak mencapai TMA dan gas pembakaran mampu mendorong torak bergerak kembali ke TMB. Posisi kedua katup masih dalam keadaan tertutup.
9
4. Langkah Buang
Gambar. 2.4 Skema kerja langkah buang Pada saat langkah buang posisi katup tertutup rapat dan posisi katup buang terbuka lebar. Gas sisa hasil pembakaran ditekan keluar oleh torak yang bergerak menuju TMA dan gas sisa hasil pembakaran keluar melalui katup buang. Setelah itu prosesnya berulang-ulang dan dimulai kembali prosesnya dari awal.
2.2
Siklus Pembakaran Siklus pembakaran pada motor bakar adalah perubahan keadaan berturut-turut
yang dialami oleh gas di dalam ruang bakar. Pada motor bakar terdapat 3 macam siklus, seperti: siklus otto, siklus diesel dan siklus gabungan (Dual combustion Cycle).
10
2.2.1
Siklus Otto Siklus ini banyak sekali diaplikasikan pada alat-alat transportasi. Pada mesin
bensin system penyalaan / pengapiannya berasal dari tenaga listrik bertegangan tinggi yang dapat memersikan cetusan api diantara elektroda busi. Sehingga campuran antara udara-bahan bakar yang telah tertekan dalam ruang silinder dapat terbakar.
Gambar.2.5 Siklus Otto Berdasarkan gambar langkah siklus pembakaran dari siklus otto akan dijelaskan sebagai berikut:
11
∗
0 – 1 : Langkah Isap. Campuran udara bahan bakar dihisap kedalam silinder/ruang bakar. Piston bergerak menuju titik mati bawah (TMB). Katup isap terbuka dan katup buang tertutup.
∗
1 – 2 : Langkah Kompresi Kedua katup tertutup. Piston bergerak menuju titik mati atas (TMA). Sesaat sebelum piston mencapai TMA, bunga api dari busi dipercikkan dan bahan bakar mulai terbakar, sehingga terjadi proses pemasukan panas pada langkah 2-3.
∗
3 - 4 : Langkah Ekspansi Selama pembakaran, sejumlah energi dibebaskan, sehingga suhu dan tekanan dalam silinder naik dengan cepat. Setelah mencapai TMA, piston akan didorong oleh gas bertekanan tinggi ini menuju TMB (langkah ekspansi). Tenaga mekanis ini diteruskan ke poros engkol. Saat sebelum mencapai TMB, katup buang terbuka, gas hasil pembakaran mengalir keluar dan tekanan dalam silinder turun dengan cepat.
∗
4 – 1 : Langkah Pembuangan Piston bergerak menuju titik mati atas mendorong gas didalam silinder ke saluran buang.
12
2.2.2
Siklus Diesel Mesin diesel adalah motor bakar torak yang berbeda dengan motor bakar
bensin/otto, karena proses penyalaannya bukan dengan api listrik melainkan dengan cara mengabutkan bahan bakar dengan tekanan yang sangat tinggi di dalam ruang silinder. Namun persyaratan ini terpenuhi apabila digunakan perbandingan kompresi yang cukup tinggi berkisar 12 sampai 15.
Gambar.2.6 Siklus Diesel Berdasarkan gambar proses kerja pada siklus diesel akan dijelaskan sebagai berikut : ∗
Proses 0 – 1 : Langkah Hisap
13
Pada langkah ini posisi katup masuk terbuka dan katup buang tertutup, proses ini berlangsung pada tekanan konstan. ∗
Proses 1 – 2 : Langkah Kompresi Pada langkah ini posisi kedua katup tertutup rapat, proses kompresi ini berlangsung secara isentropis.
∗
Proses 2 – 3 : Langkah Pemasukan Kalor Pada langkah ini terjadi pemasukan kalor pada tekanan tetap posisi katup masuk dan katup buang tertutup rapat.
∗
Proses 3 – 4 : Langkah Kerja Pada langkah ini berlangsing secara isentropis.
∗
Proses 4 – 1 : Langkah Buang Pada langkah ini terjadi pengeluaran kalor dengan volume konstan.
2.2.3
Siklus Gabungan Dalam prakteknya, baik mesin otto maupun mesin diesel tidak bekerja tepat
sesuai dengan siklusnya. Untuk memperoleh urutan proses yang mendekati keadaan yang sebenarnya, dilakukan suatu siklus udara tekanan terbatas atau siklus udara pembakaran gabungan. Dikatakan siklus gabungan karena pada siklus ini terjadi pembakaran pada volume tetap (siklus otto) disusul dengan pembakaran pada tekanan tetap (siklus diesel). Hal ini terjadi karena adanya putaran yang tinggi, sehingga tidak
14
hanya pada tekanan tetap, melainkan juga didahului dengan pembakaran pada volume tetap. Berikut ini akan diperlihatkan diagram indicator serta alur dari siklus gabungan “Dual Combustion Cycle” , yang mana pada pemasukan kalor pertama pada volume tetap kemudian disusul dengan pemasukan kalor yang kedua pada tekanan tetap.
Gambar.2.7 Siklus gabungan Pada siklus gabungan, fluida kerja mendapatkan panas pada volume konstan dan sebagainya pada tekanan tetap. Pada mesin siklus gabungan terdapat busi yang digunakan untuk membantu pembakaran apabila angka kompresi terlalu rendah, atau tidak digunakan sama sekali apabila angka kompresi tinggi. Berdasarkan gambar, maka urutan kerja siklus gabungan adalah sebagai berikut: •
Proses 0 – 1 : Langkah Hisap Pada Tekanan Konstan
15
Dalam proses ini udara yang masuk ke dalam ruang silinder bertekanan konstan. Posisi katup masuk terbuka sedangkan katup buang tertutup rapat. •
Proses 1 – 2 : Langkah Kompresi Pada langkah ini kompresiberlangsung secara isentropic, posisi kedua katup tertutup rapat.
•
Proses 2 – 3 : Langkah Pemasukan Kalor Pada Volume Konstan Pada proses ini terjadipemasukan kalor pada volume konstan (pembakaran bahan bakar pertama), posisi kedua katup tertutup rapat.
•
Proses 3 – 4 : Langkah Pemasukan Kalor Pada Tekanan Konstan Pada proses ini terjadi pemasukan kalor pada tekanan konstan (pembakaran bahan bakar kedua), posisi kedua katup tetap tertutup rapat.
•
Proses 4 – 5 : Langkah Kerja Pada proses ini terjadi langkah kerja yang berlangsung secara isentropic, dimana posisi kedua katup tetap tertutup rapat.
•
Proses 5 – 6 : Langkah Pengeluaran Kalor Pada proses ini terjadi pengeluaran kalor pada volume konstan, posisi katup masuk tertutup rapat dan katup buang terbuka lebar.
16
2.3
Bahan Bakar dan Proses Pembakaran
2.3.1
Mesin Bensin / Otto Motor bensin biasanya diaplikasikan pada kendaraan mobil penumpang,
sepeda motor, dan lain-lain. Mesin bensin dilengkapi dengan busi dan karburator, busi dapat menghasilkan loncatan api listrik yang dapat menyebabkan pembakaran pada campuran udara-bahan bakar didalam ruang silinder. Oleh karena itu mesin bensin/otto cenderung dinamai dengan Sparkplug Ignition Engine. Jenis bahan bakar yang digunakan adalah Gasoline (bensin). Karburator adalah tempat bercampurnya bahan bakar dengan udara. Percampuran tersebut terjadi karena bahan bakar disemprotkan ke dalam arus udara segar yang masuk ke dalam karburator. Campuran udara-bahan bakar tersebut kemudian masuk kedalam ruang silinder melalui intake manipold dan dibakar oleh busi pada saat menjelang akhir langkah kompresi. Pada siklus ideal proses tersebut diasumsikan sebagai pemasukan panas pada volume konstan.
2.3.1.1 Sistem Penyalaan pada Mesin Bensin / Otto Agar dapat membangkitkan loncatan api listrik dibutuhkan tegangan yang cukup besar. Biasanya tergantung pada beberapa factor, yaitu: 1. Perbandingan campuran udara-bahan bakar. 2. Kepadatan campuran udara-bahan bakar. 3. Jarak antara kedua elektroda serta bentuk elektroda.
17
4. Jumlah molekul campuran udara-bahan bakar yang terdapat pada kedua elektroda. 5. Temperatur campuran udara-bahan bakar dan kondisi operasi yang lainnya. Perbandingan campuran udara-bahan bakar pada mesin bensin adalah dapat berkisar antara 0,06 sampai 0,12.
2.3.2
Mesin Diesel Mesin diesel adalah motor bakar torak yang berbeda dengan motor bakar
bensin, proses penyalaannya bukanlah dengan busi. Proses pembakarannya terjadi pada saat torak hamper mencapai TMA. Bahan bakar disemprotkan kedalam ruang silinder dengan tekanan yang sangat tinggi sekitar 30 sampai 50 atm. Maka terjadilah proses penyalaan untuk pembakaran, pada saat udara di dalam ruang silinder sudah bertemperatur tinggi. Jenis bahan bakar yang dibunakan adalah solar. Persayaratan ini dapat dipenuhi apabila digunakan perbandingan kompresi yang cukup tinggi, berkisar antara 12 sampai 25. Perbandingan kompresi yang rendah umumnya digunakan pada motor diesel berukuran besar pada putaran mesin rendah. Perbandingan kompresi yang tinggi umumnya digunakan pada motor diesel yang berukuran kapasitas mesin kecil pada putaran mesin tinggi (± 4000 rpm). Para perancang mesin cenderung mempergunakan perbandingan kompresi yang serendahrendahnya berdasarkan dengan pertimbangan kekuatan material serta berat mesinnya.
18
Oleh karena itu, pada umumnya motor diesel bekerja dengan perbandingan kompresi antara 14 sampai dengan 17.
2.3.2.1 Proses Penyemprotan Bahan Bakar Pada Mesin Diesel Proses penyemprotan bahan bakar ke dalam ruang silinder dilaksanakan dengan menggunakan alat yang dinamakan dengan Fuel Injector. Fungsi penyemprotan bahan bakar adalah : 1. Memasukan bahan bakar ke dalam ruang silinder sesuai dengan kebutuhan. 2. Mengabutkan bahan bakar sesuai dengan derajat pengabutan yang diminta. 3. Mendistribusikan bahan bakar untuk memperoleh pembakaran yang sempurna dalam waktu yang telah ditetapkan.
2.3.3
Reaksi Kimia Pembakaran Dalam proses pembakaran, setiap bahan bakar membutuhkan udara segar
untuk membantu proses pembakaran agar bahan bakar dapat terbakar dengan sempurna, walaupun realitanya bahan bakar tidak terbakar secara sempurna. Proses pembakaran bahan bakar dapat dilihat berdasarkan dengan persamaan reaksi kimia pembakaran, adalah sebagai berikut :
CnHm + a(O2 + 3,76N2) ↔ bCO2+ cH2O + dCO + eO2 + fN2
19
Setelah diketahui jumlah masing-masing mol-nya maka akan dapat dicari nilai perbandingan campuran bahan bakar-nya atau yang sering disebut dengan Air-Fuel Ratio (AFR). Setelah nilai AFR diketahui maka dapat diketahui jenis campurannya, dengan cara membandingkan dengan nilai perbandingan campuran udara-bahan bakar stoichiometri (AFRStoiciometri). Jika AFR-nya lebih kecil dari nilai AFRStoiciometri (AFR < AFRStoiciometri) maka jenis campurannya kelebihan bahan bakar. Namun jika AFRnya lebih besar dari nilai AFRStoiciometri (AFR > AFRStoiciometri) maka jenis campurannya kelebihan udara.
2.4
Proses Pembentukan dan Karakteristik Gas Buang
2.4.1
Karbon Monoksida (CO) Bila karbon di dalam bahan bakar terbakar dengan sempurna, maka akan
terjadi reaksi yang menghasilkan CO2 sebagai berikut : C + O2 → CO2 Namun apabila tidak tersedia oksigen (O2) dalam jumlah cukup maka akan terjadi pembakaran yang tidak sempurna. Umumnya motor bensin yang masih menggunakan karburator cenderung menghasilkan pembakaran kaya, sehingga emisi CO yang dihasilkan akan cukup banyak. Gas CO ini mempunyai sifat tidak berwarna, tidak berbau, tidak mudah larut dalam air, dan memiliki perbandingan berat terhadap udara sebesar 0,967. Karbon monoksida juga mudah berikatan dengan hemoglobin darah (Hb) karena memiliki
20
afinitas (daya ikat) yang lebih kuat dari pada oksigen, sehingga dapat pula menyebabkan lingkungan disekitarnya kekurangan oksigen dan tentunya akan mengakibatkan kematian.
2.4.2
Hidrokarbon (HC) Penyebab timbulnya emisi gas hidrokarbon ini diantaranya akibat rendahnya
temperatur sekat-sekat dinding ruang bakar, misfire, penyerapan HC oleh lapisan oli pada langkah kompresi dan pelepasannya saat langkah buang, serta juga dapat diakibatkan overlapping antara katup masuk dan katup buang. Sifat-sifat hidrokarbon adalah merupakan senyawa kimia yang terdiri atas ikatan karbon (C) dan hidrogen (H) saja, berbau, mudah menguap, dan dapat bereaksi lebih lanjut dengan NOx menjadi senyawa fotokimia. Hidrokarbon dapat menyebabkan iritasi pada mata, dan saluran pernafasan. HC merupakan sebagian atau sisa dari bahan bakar yang tidak terbakar, maka semakin tinggi emisi HC berarti tenaga mesin semakin berkurang dan konsumsi bahan bakar semakin meningkat.
2.4.3
Nitrogen Oksida (NOx) Nitrogen oksida dihasilkan sebagai akibat dari bereaksinya nitrogen (N2)
dalam campuran udara-bahan bakar pada temperatur yang sangat tinggi (1800 oC atau 3300 oF) sehingga menghasilkan oksida nitrogen (NOx). Oksida nitrogen ini timbul
21
pada pembakaran disekitar daerah stoikiometri dan juga ketika motor bekerja pada beban yang berat. Gas NOx tidak berwarna, tidak berbau, sukar larut dalam air, dan dapat bereaksi lebih lanjut dengan udara melalui NO2. Gas NO2 memiliki sifat berwarna agak kemerahan dan sedikit berbau, mudah larut dalam air serta dapat bereaksi dengan air menjadi asam nitrit ataupun asam nitrat. Gas NOx memberikan dampak pada manusia berupa gangguan syaraf pusat, karena gas ini bersifat hemotoksin (mengikat sel darah merah). Selain itu dapat menimbulkan iritasi pada tenggorokan, mata dan hidung.
2.5
Bio-Ethanol Alkohol merupakan bahan kimia yang diproduksi dari bahan baku tanaman
yang mengandung pati seperti ubi kayu, ubi jalar, dan sagu biasanya disebut dengan bio-ethanol. Ubi kayu, ubi jalar, dan jagung merupakan tanaman pangan yang biasa ditanam rakyat hampir di seluruh wilayah Indonesia, sehingga jenis tanaman tersebut merupakan tanaman yang potensial untuk dipertimbangkan sebagai bahan baku pembuatan bio-ethanol dan gasohol. Namun, dari semua tanaman tersebut, ubi kayu merupakan yang setiap hektarnya paling tinggi dapat memproduksi ethanol. Selain itu pertimbangan pemakaian ubi kayu sebagai bahan baku proses produksi bio-ethanol juga didasarkan pada pertimbangan ekonomi. Pertimbangan keekonomian pengadaan bahan baku tersebut bukan saja meliputi harga produksi tanaman sebagai bahan baku,
22
tetapi juga meliputi biaya pengelolaan tanaman, biaya produksi pengadaan bahan baku, dan biaya bahan baku untuk memproduksi setiap liter ethanol/bio-ethanol. Secara umum ethanol/bio-ethanol dapat digunakan sebagai bahan baku industri turunan alkohol, campuran untuk miras, bahan bakar industri farmasi, dan campuran bahan bakar untuk kendaraan.
2.5.1
Karakteristik Bahan Bakar Ethanol Salah satu bahan bakar yang dapat digunakan untuk menggantikan bensin
adalah ethanol. Ethanol yang sering juga disebut etil alkohol rumus kimianya adalah C2H5OH , bersifat cair pada temperatur kamar. Ethanol dapat dibuat dari proses pemasakan fermentasi dan distilasi beberapa jenis tanaman seperti tebu, jagung, singkong atau tanaman lain yang kandungan karbohidatnya tinggi. Ethanol juga dapat dibuat dari selulosa atau limbah hasil pertanian (biomassa). Sehingga ethanol memiliki potensi cukup cerah sebagai pengganti bensin. Bebarapa karakteristik bahan bakar yang mempengaruhi kerja mesin bensin adalah : •
Bilangan Oktan Bilangan Oktan Ethanol memiliki angka oktan yang lebih tinggi daripada
bensin yaitu research octane 108 dan motor octane 92. Angka oktan pada bahan bakar mesin Otto menunjukkan kemampuannya menghindari terbakarnya campuran udara bahan bakar sebelum waktunya. Jika campuran udara bahan bakar terbakar sebelum
23
waktunya akan menimbulkan fenomena knocking yang berpotensi menurunkan daya mesin, bahkan bisa menimbulkan kerusakan serius pada komponen mesin.
•
Nilai Kalor Nilai kalor suatu bahan bakar menunjukkan seberapa besar energi yang
terkandung didalamnya. Nilai kalor ethanol sekitar 67% nilai kalor bensin, hal ini karena adanya oksigen dalam struktur ethanol. Berarti untuk mendapatkan energi yang sama jumlah ethanol yang diperlukan akan lebih besar. Adanya oksigen dalam ethanol juga mengakibatkan campuran menjadi lebih kurus jika dibandingkan dengan bensin, sehingga campuran harus dibuat lebih kaya untuk mendapatkan unjuk kerja yang diinginkan.
•
Volatility Volatility suatu bahan bakar menunjukan kemampuannya untuk menguap. Sifat
ini penting, karena jika bahan bakar tidak cepat menguap maka bahan bakar akan sulit tercampur dengan udara pada saat terjadi pembakaran. Zat yang sulit menguap tidak dapat digunakan sebagai bahan bakar mesin bensin meskipuin memiliki nilai kalor yang besar. Namun demikian bahan bakar yang mudah menguap juga berbahaya karena mudah terbakar.
24
Panas Laten Penguapan
•
Ethanol memiliki panas penguapan (heat of vaporization) yang tinggi. Ini berarti ketika menguap ethanol akan memerlukan panas yang lebih besar, dimana panas ini akan diserap dari silinder sehingga dikhawatirkan temperatur puncaknya akan rendah. Padahal agar pembakaran terjadi secara efisien maka temperatur mesin tidak boleh terlalu rendah. Pada kenyataannya karena pembakaran berlangsung sangat cepat panas tersebut tidak akan sempat terserap, sehingga dengan bahan bakar ethanol penurunan temperaturnya hanya berkisar antara 20 – 40 oF.
2.6
Perawatan dan modifikasi mesin bensin yang menggunakan bio-ethanol Secara umum ada beberapa modifikasi dan perawatan yang lebih intensif yang
harus dilakukan pada mesin berbahan bakar ethanol atau gasohol, diantaranya adalah. •
Karburator. Diameter main jet orifice menunjukan seberapa miskin atau kaya campuran yang akan masuk ruang bakar, semakin kecil lubangnya campuran semakin miskin. Karena ethanol memerlukan campuran lebih kaya maka lubang tersebut harus diperbesar. Selain itu mungkin akan diperlukan tambahan alat yang memungkinkan pencampuran ethanol dengan bensin agar lebih merata.
• Ignition timing Untuk memperoleh keuntungan dari sifat antiknocking yang dimiliki ethanol maka ignition timing harus dirubah. Jika pada umumnya mesin yang berbahan
25
bakar bensin waktu penyalaannya adalah 8 – 10o sebelum TMA, karena ethanol memiliki bilangan oktan lebih tinggi maka ignition timing dapat dimajukan. • Perbandingan kompresi Masih terkait dengan bilanga oktan hal lain yang dapat dimodifikasi adalah perbandingan kompresi. Agar lebih optimal perbandingan kompresi dapat dinaikan menjadi 14 – 15 atau minimal 12. Namun pengubahan perbandingan kompresi juga harus memperhatikan kekuatan material lain seperti connecting rod, bearing, dan lain-lain. •
Tanki bensin Masalah lain yang dihadapi terhadap penggunaan ethanol sebagai campuran bensin adalah kandungan air. Bensin yang tersimpan dalam tanki penyimpanan biasanya mengandung air walaupun sangat kecil prosentasenya. Setelah bensin tersebut dicampur dengan ethanol, maka ethanol memisahkan partikel air yang terdapat didalam bensin. Jika jumlah bensin dan ethanol yang dicampur cukup besar, maka akan terbentuk suatu laipsan air-alkohol yang sangat berbahaya jika sampai masuk ke ruang bakar. Tetapi dengan campuran bensin-ethanol dalam tanki kendaraan, mungkin efek dari air ini tidak terlalu mengkhawatirkan karena dalam jumlah yang kecil.
•
Komponen mesin lainnya Sifat ethanol murni yang korosif dapat merusak komponen mesin seperti alumunium, karet, timah, plastik dan lain-lain. Terutama pada komponen yang
26
secara langsung dilewati ethanol ini seperti saluran bahan bakar baik dimulai dari pompa bahan bakar samapai ke karburator atau injektor bagi mesin yang sudah mengaplikasikan teknologi injeksi bahan bakar.
27
BAB III METODE PENGUJIAN EMISI GAS BUANG 3.1
Diagram Alir Metodologi Pengujian Mulai
Persiapan Mesin Uji Hyundai Atoz 1.1
Kalibrasi Alat Ukur
Pemeriksaan dan Pengetesan Mesin Servis Mesin Uji
Kondisi Mesin Dalam Keadaan Baik
Tidak
Ya Persiapan Pengujian
Pelaksanaan Pengujian Emisi Bahan Bakar
Pencampuran Bioethanol 0%
Pencampuran Bioethanol 10%
Pencampuran Bioethanol 10%
Pengujian pada putaran mesin 850 rpm 1500 rpm 2000 rpm 2500 rpm 3000 rpm
Pengujian pada putaran mesin 850 rpm 1500 rpm 2000 rpm 2500 rpm 3000 rpm
Pengujian pada putaran mesin 850 rpm 1500 rpm 2000 rpm 2500 rpm 3000 rpm
Dokumentasi data
Penarikan Kesimpulan
Selesai
Gambar 3.1 Diagram alir metodologi pengujian 28
3.2
Spesifikasi Kendaraan dan Alat Ukur
3.2.1
Spesifikasi Kendaraan Kendaraan yang diuji memiliki spesifikasi sebagai berikut :
Tipe mesin
:
Hyundai Atoz 1.1 G4HC
Kapasitas
:
1100 cc
Jumlah silinder
:
4 silinder
Perbandingan kompresi
:
1:9,7
Angka minimum oktan
:
95
Soket diagnosa
:
Ada (OBD2)
Sistem pembakaran
:
MPI
3.2.2
Spesifikasi alat ukur uji emisi Alat ukur yang dipakai untuk mengukur emisi gas buang memiliki spesifikasi
sebagai berikut: Merk
:
Hanatech
Model
:
IM 2400
Kemampuan ukur
:
Karbon Monoksida (CO) 0 ~ 10 % Karbon Dioksida (CO2) 0 ~ 20 % Oksien (O2) 0 ~ 23 % Lambda 0,5 ~ 2,5, AFR 0 ~99,99
Akurasi
:
± 2 % pada skala penuh
Sumber arus
:
AC 100 ~ 230 V 50~60Hz / DC 12V 8A 29
3.2.3
Spesifikasi Diagnostic Scan Tool Alat yang dipakai untuk membaca data-data aktual mesin yang diuji adalah
diagnostic scan tool, dengan spesifikasi sebagai berikut: Merk
:
Hanatech
Model
:
Ultrascan Plus
Coverage cars
:
Asian, American and Europe cars.
Functions
:
Live data, activation test, parameter reset, etc.
3.3
Metode Pengujian Dalam studi kandungan emisi gas buang ini, dilakukan pengujian kandungan
emisi gas buang kendaraan bermesin 1100 cc,
yang dilakukan dengan
membandingkan kandungan komposisi gas buang yang dihasilkan dari mesin yang menggunakan bahan bakar premium 100 %, bahan bakar campuran premium 90% bioethanol 10% dan bahan bakar campuran premium 80% - bioethanol 20%. Metode yang digunakan untuk memperoleh campuran udara-bahan bakar adalah dengan metode statis, yaitu tanpa adanya pembebanan pada kendaraan yang diuji.
3.4
Prosedur Pengambilan Data Dalam pengambilan data uji emisi gas buang sebelumnya dilakukan
persiapan-persiapan sebagai berikut : 1. Tune-up. 30
2. Penggantian saringan bahan bakar, saringan udara, saringan oli dan busi. 3. Pengecekan kondisi ECM (Engine Control Module) dan sensor-sensor pada mesin dengan menggunakan Diagnostic Scan Tool merk Hanatech Ultrascan Plus dengan tujuan agar mesin yang diuji dalam kondisi bekerja dengan optimal.
Gambar 3.2 Ultrascan Plus Hanatech Setelah semua persiapan dan tune up selesai dilanjutkan dengan memanaskan mesin sampai mencapai kondisi kerja yang telah ditentukan dan telah siap untuk dilaksanakan pengambilan data. Selanjutnya adalah tahapan pengujian emisi gas buang. Sebelum dilaksanakan pengujian, alat uji emisi gas buang atau Exhaust Gas Analyzer disiapkan terlebih dahulu. 1. Kondisi pemanasan awal (Warming up).
31
Proses ini berlangsung selama kurang lebih 3 menit yang bertujuan agar alat siap dipakai untuk pengukuran. 2. Kondisi Zeroing. Kondisi ini bertujuan untuk mengembalikan kondisi alat dalam kondisi nol. 3. Kondisi siap pakai/ stand by Kondisi ini muncul setelah proses pemanasan dan auto zero selesai, pada kondisi ini menyatakan bahwa mesin telah siap untuk melakukan pengukuran. 4.
Sebelum dilakukan pengukuran, diagnostic scan tool dipasang pada mesin untuk membaca kondisi aktual kerja mesin.
5. Selanjutnya diteruskan dengan pemasangan gas sampling probe pada bagian knalpot. 6. Pengujian dilakukan dengan cara mengakselerasikan gas pada putaran 850, 1500, 2000, 2500, dan 3000 rpm (berulang kali hingga didapatkan hasil yang maksimal). Pengujian dilakukan tanpa adanya pembebanan, karena pengujian dilakukan secara statis. 7. Setelah dilakukan pengujian, tahapan selanjutnya adalah memeriksa hasil pengujian berupa lembaran kertas yang tercetak.
32
Gambar 3.3 Gas analyzer IM2400 Hanatech dan pemasangannya
33
BAB IV ANALISA PEMBAHASAN
4.1
Data-Data Hasil Pengujian Hasil pengujian emisi gas buang pada berbagai putaran mesin dapat dilihat
pada tabel 4.1, tabel 4.2 dan tabel 4.3. Berikut ini akan disajikan data-data yang telah terkumpul berdasarkan hasil pengujian pada mesin yang menggunakan campuran bahan bakar premium dan bioethanol. Putaran mesin
CO
CO2
HC
O2
Lambda
(rpm)
(%)
(%)
(ppm)
(%)
(λ)
850
1,895
13,165
357,5
0,56
0,985
1500
1,725
12,775
625
0,995
1
2000
1,555
12,575
463
0,970
1,005
2500
0,275
12,76
161,5
1,72
1,075
3000
0,64
13,01
198
1,05
1,03
Tabel 4.1. Data emisi gas buang dengan bahan bakar 100% Premium–0% Bioethanol Putaran mesin
CO
CO2
HC
O2
Lambda
(rpm)
(%)
(%)
(ppm)
(%)
(λ)
850
0,275
12,73
376,5
2,18
1,01
1500
0,475
12,685
873,5
2,175
1,095
2000
0,53
12,515
569
1,83
1,075
2500
0,23
11,685
247,5
3,305
1,175
3000
0,255
12,365
205
2,235
1,11
Tabel 4.2. Data emisi gas buang dengan bahan bakar 90% Premium–10% Bioethanol
34
Putaran mesin
CO
CO2
HC
O2
Lambda
(rpm)
(%)
(%)
(ppm)
(%)
(λ)
850
0,13
11,985
227
2,66
1,14
1500
0,235
12,05
655
2,53
1,13
2000
0,32
11,905
709,5
2,645
1,135
2500
0,21
11,38
241
3,44
1,19
3000
0,225
11,695
234
2,98
1,155
Tabel 4.3. Data emisi gas buang dengan bahan bakar 80% Premium - 20% Bioethanol
4.2
Analisa Hasil Pengujian Berdasarkan pada data hasil pengujian yang diperoleh dapat dianalisa untuk
masing-masing karakteristik gas hasil pembuangannya.
4.2.1
Kandungan Emisi CO (Karbon Monoksida) Berdasarkan data yang diperoleh, dapat terlihat bahwa gas CO yang
dihasilkan presentasenya semakin menurun seiring dengan meningkatnya putaran mesin. Pada kondisi campuran udara-bahan bakar stoikiometri, angka emisi CO yang dihasilkan mesin tanpa adanya pencampuran bioethanol adalah sebesar 1,895%. Angka ini hampir mendekati nilai batas yang telah ditentukan untuk kandungan emisi gas buang CO, yaitu 3,0% berdasarkan SK Gubernur No. 1041/2000. Pada pengujian yang mencampurkan 10% bioethanol kedalam bahan bakar premium ternyata dapat mereduksi nilai kandungan emisi gas CO hingga mencapai
35
nilai 0,53%. Bahkan pada pencampuran 20% bioethanol kedalam bahan bakar premium nilai kandungan gas CO bisa mencapai 0,32% pada putaran 2000 rpm. Penurunan kandungan gas CO ini disebabkan adanya pencampuran bioethanol ke dalam bahan bakar premium akan menyebabkan bahan bakar yang masuk ke ruang pembakaran lebih mudah menguap sehingga pembakaran yang dihasilkan juga lebih sempurna.
Grafik 4.1 Karakteristik Kandungan CO (%) Dalam Gas Buang Hasil Pengujian Berdasarkan hasil pengujian diatas dapat pula dibandingkan prosentase penurunan kandungan CO pada masing-masing putaran mesin, seperti terlihat dalam tabel 4.4.
36
Putaran mesin (rpm)
Penambahan Bioethanol
850
10% Bioethanol 85,5%
20% Bioethanol 93,1%
1500
72,5%
86,3%
2000
65,9%
79,4%
2500
16,4%
23,6%
3000
60,1%
64,8%
Tabel 4.4 Prosentase penurunan kandungan CO Setelah diambil rata-rata pada putaran mesin antara 850 – 3000 rpm maka didapatkan nilai penurunan rata-rata kandungan CO pada penambahan 10% Bioethanol adalah71,02%, dan pada penambahan 20% Bioethanol adalah 81,61%.
4.2.2
Kandungan Emisi CO2 (Karbon Dioksida) Dapat terlihat pada Grafik 4.2, nilai kandungan emisi gas CO2 pada mesin
tanpa penambahan bioethanol adalah 13,165%, sedangkan pada penambahan 10% bioethanol kandungan CO2 adalah 12,73% dan pada penambahan 20% bioethanol kandungan emisi gas CO2 adalah 12,05%. Hal ini menunjukan bahwa dengan penambahan bioethanol akan menurunkan kandungan emisi gas CO2.
37
Grafik 4.2 Karakteristik Kandungan CO2 (%) Dalam Gas Buang Hasil Pengujian
4.2.3
Kandungan Emisi HC (Hidro Karbon)
Grafik 4.3 Karakteristik Kandungan HC (ppm) Dalam Gas Buang Hasil Pengujian
38
Berdasarkan hasil pengujian gas buang, kandungan HC sisa pembakaran pada mesin tanpa penambahan bioethanol nilai HC tertinggi adalah 625 ppm pada putaran mesin 1500, sedangkan penambahan bioethanol 10% nilai HC tertingggi adalah 873,5 ppm terjadi pada putaran mesin 1500 dan penambahan bioethanol 20% nilai HC tertinggi adalah 709,5 ppm terjadi pada putaran mesin 2000. Pada putaran rendah dan sedang terlihat nilai HC lebih besar dibandingkan pada putaran tinggi. Hal ini terjadi dikarenakan pada putaran tersebut pasokan udara lebih sedikit dibandingkan dengan pada putaran tinggi sehingga campuran menjadi terlalu gemuk. Campuran yang gemuk akan mudah terjadi pembentukan HC.
4.2.4 Kandungan Emisi O2 (Oksigen)
Grafik 4.4 Karakteristik Kandungan O2 (%) Dalam Gas Buang Hasil Pengujian
39
Berdasarkan hasil pengujian gas buang, kandungan O2 sisa pembakaran pada mesin tanpa penambahan bioethanol nilai O2 tertinggi adalah 1,72% pada putaran mesin 2500, sedangkan penambahan bioethanol 10% nilai O2 tertingggi adalah 3,305% terjadi pada putaran mesin 2500 dan penambahan bioethanol 20% nilai O2 tertinggi adalah 3,44% terjadi pada putaran mesin 2500. Dari grafik terlihat bahwa dengan penambahan bioethanol akan meningkatkan kandungan gas oksigen dalam gas buang sisa pembakaran. Hal ini dikarenakan dengan adanya bioethanol akan meningkatkan kandungan gas
oksigen dalam
pembakaran. Berdasarkan hasil pengujian diatas dapat pula dikatakan bahwa dengan penambahan bioethanol terjadi kenaikan rata-rata kandungan gas O2 sebesar 121,4 % pada penambahan bioethanol 10% dan 169,2% pada penambahan bioethanol 20%.
4.2.5
Lambda Lambda adalah data yang menunjukan banyaknya udara yang berlebih dalam
proses pembakaran bahan bakar (Exxes Air), udara yang berlebih dalam ruang bakar sangat diperlukan untuk menghindari terjadinya detonasi pada mesin. Selain dari data ini, dapat juga ditentukannya nilai jenis pembakarannya dengan mencari nilai perbandingan udara - bahan bakar atau AFR (Air Fuel Ratio). Dalam kondisi normal Lambda yang dihasilkan nilainya berkisar antara 0,95 – 1,05, untuk normalnya pembakaran lambda yang dihasilkan adalah 1,00. Sedangkan
40
AFR yang dihasilkan adalah 14,7. Nilai jenis pembakarannya dapat ditentukan dengan ketentuan dari nilai AFRST-nya : •
Jika Lambda kurang dari 1,00 atau nilai AFR kurang dari 14,7 artinya jenis campuran termasuk ke dalam jenis campuran kaya (kelebihan bahan bakar dari pada udara).
•
Jika Lambda lebih dari 1,00 atau nilai AFR lebih dari 14,7 artyinya jenis campuran termasuk ke dalam jenis campuran miskin (kelebihan udara).
Berdasarkan data yang diperoleh dapat terlihat bahwa nilai Lambda pada mesin tanpa penambahan bioethanol adalah sangat rendah hingga mencapai 0,985 pada putaran mesin 850 rpm. Sedangkan pada penambahan bioethanol 10% terjadi peningkatan nilai Lambda mencapai 1,01 dan penambahan bioethanol 20% mencapai nilai Lambda 1,14 pada putaran 850 rpm. Kecenderungan Lambda terus meningkat seiring dengan penambahan prosentase Bioethanol.
41
Grafik 4.5 Karakteristik nilai Lambda Dalam Gas Buang Hasil Pengujian
4.3
Peningkatan/Penurunan Nilai Kandungan Emisi Gas Buang Berdasarkan hasil pegujian emisi gas buang pada setiap putaran mesin, maka
akan terlihat nilai-nilai peningkatan/penurunan kandungan emisi gas buang pada mesin tanpa penambahan bioethanol, penambahan bioethanol 10% dan 20%. Yaitu dengan cara menghitungnya dengan persamaan berikut ini:
Hasil perhitungan peningkatan / penurunan nilai kandungan emisi gas buang tertera dalam bentuk tabel yang tercantum pada halaman lampiran.
42
4.4
Emisi Gas Buang saat Idle Berdasarkan SNI 09-7118.1-2005 bahwa cara uji yang digunakan untuk
mengukur kadar gas CO dan HC adalah pada kondisi mesin idle. Dalam hal ini ilde adalah pada putaran 850 rpm. Hasil pegujian emisi gas buang pada 850 rpm, terlihat Tabel 4.5 dibawah ini:
Kandungan gas buang pada kondisi idle Bioethanol Bioethanol Bioethanol 0% 10% 20% CO (%) 1,895 0,275 0,13 CO2 (%) 13,165 12,73 11,985 HC (ppm) 357,5 376,5 227 O2 (%) 0,56 2,18 2,66 Lambda 0,985 1,01 1,14 Tabel 4.5 Emisi gas buang kondisi putaran idle Gas Buang
Berdasarkan tabel 4.5 diatas, dapat terlihat bahwa kandungan gas buang CO mengalami penurunan drastis dari tanpa penggunaan bioethanol kandungan CO adalah 1,895% namun dengan penambahan Bioethanol 10% kandungan CO menjadi 0,275% dan dengan Bioethanol 20% kandungan CO menjadi 0,13%. Demikian pula dengan gas CO2 dan HC yang juga mengalami penurunan kandungan dengan ditambahkan Bioethanol.
43
BAB V PENUTUP
5.1
Kesimpulan Berdasarkan data hasil pengukuran dan perhitungan perbandingan udara-
bahan bakar terhadap emisi gas buang pada mesin Hyundai Atoz 1.1 dengan menggunakan bahan bakar premium 100%. Premium 90% - Bioethanol 10% dan Premium 80% - Bioethanol 20%, maka dapat diberikan kesimpulan bahwa: 1. Nilai kandungan emisi gas buang CO dan CO2 mengalami penurunan. Sedangkan nilai kandungan O2 dan Lambda cenderung mengalami peningkatan. Hal ini dapat dikatakan dengan penambahan bioethanol pada bahan bakar kendaraan adalah sangat ramah lingkungan. 2. Nilai kandungan emisi gas buang HC cenderung mengalami peningkatan pada putaran mesin tertentu saja, yaitu terjadi pada putaran mesin 1500 rpm sampai dengan 2000 rpm. 3. Apabila campuran udara bahan bakar kelebihan udara maka konsentrasi Lambda semakin rendah dan konsentrasi CO pada gas semakin tinggi. Demikian sebaliknya, jika campuran udara-bahan bakar lebih sedikit dibandingkan dengan udara, maka konsentrasi CO pada gas buang semakin rendah dan Lambda-nya semakin tinggi. 4. Berdasarkan SK Gubernur DKI Jakarta No. 1041/2000 dinyatakan bahwa konsentrasi untuk CO harus dibawah 3,0 % dan konsentrasi untuk nilai HC 44
batas maksimumnya adalah 700 ppm, maka emisi gas buang saat kondisi idle dengan penambahan bioethanol 10% adalah 0,275% dan bioethanol 20% adalah 0,13%. Sedangkan bilai kandungan HC dengan bioethanol 10% adalah 376,5 ppm dan bioethanol 20% adalah 227 ppm. Nilai CO dan HC tersebut masih dibawah ambang batas sehingga memenuhi syarat peraturan tersebut diatas.
5.2
Saran Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan-kekurangan dalam
penulisan laporan tugas akhir ini, oleh karena itu penulis mengharapkan bantuan kepada pembaca agar dapat mengembangkan penulisan laporan tugas akhir ini dengan cara memberikan saran atau kritikan yang sekiranya dapat membangun penulisan laporan tugas akhir ini, agar laporan tugas akhir ini dapat tersusun menjadi lebih baik lagi. Penulisan tugas akhir ini dapat dikembangkan lagi seperti: •
Perbandingan emisi gas buang berdasarkan pengujian secara dinamis, yaitu dengan mempertimbangkan kenaikan performa mesinnya.
45
DAFTAR PUSTAKA
1. Ferguson Colin R., Internal Combustion Engine Applied Thermosciences, John Wiley & Sons Inc, New York. 2. A.Wiranto, Penggerak Motor bakar. ITB, Bandung, 1989. 3. Palkrabek, Willard, W. Engineering Fundamentals of Internal Combustion Engine. Prentice Hall. Upper Saddler River. New Jersey. 4. Swisscontact, Analisa Kerja Mesin Bensin Berdasarkan Hasil Uji Emisi. Jakarta, 2002. 5. Balai Besar Teknologi Pati-BPPT. Kelayakan Tekno Ekonomi Bio-Ethanol Sebagai Bahan Bakar Alternatif Terbarukan. 27 Januari 2005. 6. http://mshuq.blogspot.com/2009/01/internal-combustion-chamber.html 7. www.dki.go.id 8. www.bplhdjabar.go.id 9. www.howstufworks.com 10. Indartono, Yuli, 2005, Bio-ethanol Alternatif Energi Terbarukan: Kajian Prestasi
Mesin
dan
Implementasi
http://www.energi.lipi.go.id.
46
di
Lapangan,
Lampiran Tabel Peningkatan/Penurunan Nilai Kandungan Gas Buang
Putaran Mesin
850 Rpm
1500 Rpm
2000 Rpm
2500 Rpm
3000 Rpm
Gas Buang CO C02 HC O2 Lambda CO CO2 HC O2 Lambda CO CO2 HC O2 Lambda CO CO2 HC O2 Lambda CO CO2 HC O2 Lambda
Keterangan: (-) : Penurunan (+) : Peningkatan
47
Prosentase Peningkatan/Penurunan Bioethanol Bioethanol 10% 20% -85,49% -93,14% -3,30% -8,96% 5,31% -35,50% 289,28% 375% 2,54% 15,73% -72,46% -86,38% -0,70% -5,67% 39,76% 4,80% 118,59% 154,27% 9,50% 13% -65,92% -79,42% -0,48% -5,32 22,89% 53,23% 88,65% 172,68% 6,96% 12,93% -16,36% -23,63% -8,42% -10,81% 53,25% 49,22% 92,15% 100% 9,30% 10,69% -60,16% -64,84% -4,96% -10,10% 3,53% 18,18% 112,86% 183,81% 7,77% 12,13%
Lampiran Baku mutu Emisi Kendaraan Bermotor di Propinsi DKI Jakarta SK. Gubernur DKI Jakarta No.104/2000
48
Lampiran
REKAPITULASI DATA PENGUJIAN BIOETHANOL 0%
BIOETHANOL 10%
RPM 850
BIOETHANOL 20%
RPM 850 Uji 1
Uji 2
Mean
CO
1.87
1.92
1.895
C02
13.10
13.23
HC
354
O2 Lambda
RPM 850 Uji 1
Uji 2
Mean
Uji 1
Uji 2
Mean
CO
0.26
0.29
0.275
CO
0.12
0.14
0.13
13.165
C02
12.71
12.75
12.73
C02
12.07
11.90
11.985
361
357.5
HC
374
379
376.5
HC
206
248
227
0.56
0.56
0.56
O2
2.17
2.19
2.18
O2
2.54
2.79
2.665
0.98
0.99
0.985
Lambda
1.01
1.01
1.01
Lambda
1.13
1.15
1.14
Uji 1
Uji 2
Mean
Uji 1
Uji 2
Mean
Uji 1
Uji 2
Mean
CO
1.54
1.91
1.725
CO
0.53
0.42
0.475
CO
0.25
0.22
0.235
CO2
12.72
12.83
12.775
CO2
12.79
12.58
12.685
CO2
11.83
12.27
12.05
HC
670
580
625
HC
817
930
873.5
HC
774
536
655
O2
1.12
0.87
0.995
O2
2.02
2.33
2.175
O2
2.84
2.22
2.53
Lambda
1.01
0.99
1
Lambda
1.08
1.11
1.095
Lambda
1.15
1.11
1.13
Uji 1
Uji 2
Mean
Uji 1
Uji 2
Mean
Uji 1
Uji 2
Mean
CO
1.63
1.48
1.555
CO
0.53
0.53
0.53
CO
0.34
0.30
0.32
CO2
12.59
12.56
12.575
CO2
12.48
12.55
12.515
CO2
11.95
11.86
11.905
HC
526
400
463
HC
622
516
569
HC
691
728
709.5
O2
1.07
0.87
0.97
O2
1.98
1.68
1.83
O2
2.52
2.77
2.645
Lambda
1.01
1.00
1.005
Lambda
1.08
1.07
1.075
Lambda
1.13
1.14
1.135
Uji 1
Uji 2
Mean
Uji 1
Uji 2
Mean
Uji 1
Uji 2
Mean
CO
0.27
0.28
0.275
CO
0.23
0.23
0.23
CO
0.21
0.21
0.21
CO2
12.78
12.74
12.76
CO2
11.65
11.72
11.685
CO2
11.40
11.36
11.38
HC
157
166
161.5
HC
281
214
247.5
HC
251
231
241
O2
1.64
1.8
1.72
O2
3.4
3.21
3.305
O2
3.39
3.49
3.44
Lambda
1.07
1.08
1.075
Lambda
1.18
1.17
1.175
Lambda
1.19
1.19
1.19
RPM 1500
RPM 1500
RPM 2000
RPM 1500
RPM 2000
RPM 2500
RPM 2000
RPM 2500
49
RPM 2500
RPM 3000
RPM 3000 Uji 1
Uji 2
Mean
CO
0.71
0.57
0.64
CO2
13.06
12.96
HC
201
195
O2
0.94
Lambda
1.02
RPM 3000
Uji 1
Uji 2
Mean
CO
0.24
0.27
0.255
13.01
CO2
12.35
12.38
198
HC
204
206
1.16
1.05
O2
2.25
1.04
1.03
Lambda
1.11
50
Uji 1
Uji 2
Mean
CO
0.21
0.24
0.225
12.365
CO2
11.85
11.54
11.695
205
HC
227
241
234
2.22
2.235
O2
2.74
3.22
2.98
1.11
1.11
Lambda
1.14
1.17
1.155
Lampiran Contoh hasil print out uji emisi gas analyzer IM2400 Hanatech
51
Lampiran Tabel Perbandingan Sifat Ethanol dan Bensin
52
