UJI EKSPERIMENTAL PERBANDINGAN UNJUK KERJA MOTOR OTTO BERBAHAN BAKAR PERTALITE DENGAN CAMPURAN PERTALITE-ZAT ADITIF CAIR
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
HISKIA BENINDO ONDO TRISNO TARBANTIN PURBA NIM. 110401096
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2016
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena atas rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan Tugas Sarjana ini dengan sebaikbaiknya. Tugas sarjana ini merupakan tugas akhir untuk menyelesaikan studi pada jenjang Pendidikan Sarjana (S1) Teknik Mesin menurut kurikulum Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Medan. Penulis
dalam
tugas
sarjana
ini
mengambil
judul,
yaitu
“Uji
Eksperimental Perbandingan Unjuk Kerja Motor Otto Berbahan Bakar Pertalite dengan Campuran Pertalite-Zat Aditif Cair”. Dalam penulisan Tugas Sarjana ini, penulis telah berupaya dengan segala kemampuan pembahasan dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh dari perkuliahan, menggunakan literatur serta bimbingan dan arahan dari Dosen Pembimbing. Pada kesempatan ini, penulis tidak lupa menyampaikan terima kasih sebesar-besarnya kepada: 1. Bapak Ir. A. Halim Nasution, M.Sc, selaku dosen pembimbing yang telah banyak meluangkan waktunya membimbing penulis dalam menyelesaikan Tugas Sarjana ini. 2. Bapak Ir. Zamanhuri, MT dan Bapak Dr. Eng. Taufiq Bin Nur, ST. M.Eng.Sc selaku dosen pembanding I dan II yang telah membanding saya secara komprehensif. 3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 4. Ayah Tamba Tuah Purba,SH.M.Si, Ibu Ronselina Saragih, adik Eunike Lois, kakak dr. Betshaida Purba dan keluarga tercinta yang telah memberikan dukungan baik moril maupun materiil. 5. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU yang telah membantu saya melengkapi administrasi.
i Universitas Sumatera Utara
6. Staff Laboratorium Motor Bakar dan Laboratorium Teknologi Mekanik Departemen Teknik Mesin Fakultas teknik USU. 7. Teman seperjuangan saya, khususnya M. Hafiz Pratama, Tongin Sinaga dan Salomo Sinaga yang telah membantu dalam pelaksanaan pengujian. 8. Teman terdekat saya, dr. Chrisna Tumanggor. 9. Seluruh rekan-rekan Tim Horas Mesin USU. 10. Seluruh mahasiswa Teknik Mesin, terkhusus stambuk 2011, yang tidak dapat disebutkan satu persatu, “Solidarity Forever”. Akhir kata, dengan segala kerendahan hati penulis mengharapkan kritik dan saran yang sifatnya membangun demi penyempurnaan di masa mendatang dan semoga tulisan ini bermanfaat bagi kita semua.
Tuhan Yang Maha Esa selalu menyertai kita.
Medan, 26 Januari 2016 Penulis,
Hiskia Benindo O. T. T. Purba NIM 110401096
ii Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Penelitian ini dilakukan secara uji eksperimental terhadap unjuk kerja motor otto 4 langkah 1 silinder dengan rasio kompresi 9:1. Bahan bakar yang digunakan adalah pertalite RON 90 dan dibanding menggunakan bahan bakar campuran pertalite-zat aditif. Variasi dari bahan bakar campuran adalah 8 ml, 50 ml dan 150 ml STP octane booster pada 4 liter pertalite. Hasil dari uji eksperimental menggunakan bahan bakar campuran pertalite-STP octane booster memiliki torsi dan daya yang lebih besar dibanding menggunakan bahan bakar pertalite. Bahan bakar yang mempunyai unjuk kerja optimal pada variasi campuran 8 ml STP dimana memiliki torsi 9,258 Nm dan daya 4,819 kW. Konsumsi bahan bakar spesifik 242,67 gr/kWh. Rasio udara bahan bakar 15,273. Efisiensi volumetris 82,13 % dan efisiensi termal 32,88 %. Kata kunci: mesin otto 4 langkah, unjuk kerja, pertalite RON 90, aditif, STP octane booster
iii Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
This research conducted by experimental analyze the performance of otto four stroke engine’s performance, single cylinder work with ratio compression 9:1. Fuel that is used pertalite RON 90 and compared with the mixture fuel pertaliteadditives. The variations from mixture fuel are 8 ml, 50 ml, 150 ml STP octane booster in 4 litre pertalite. The result from experimental test of using pertalite-STP octane booster fuel mixtures have a greates torque and power than pertalite fuel. The fuel that has the optimum performance using variation mixture fuel 8 ml STP which has torque 9,258 Nm and power 4,819 kW. Specific fuel comsumption 242,67 gr/kWh. Air fuel ratio 15,273. Volumetric efficiency 82,13 % and thermal efficiency 32,88 %. Keywords: four stroke otto engine, performance, pertalite RON 90, additives, STP octane booster
iv Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR .......................................................................................i ABSTRAK .........................................................................................................iii DAFTAR ISI ......................................................................................................v DAFTAR TABEL .............................................................................................viii DAFTAR GAMBAR .........................................................................................ix DAFTAR NOTASI ............................................................................................xi BAB I PENDAHULUAN ..................................................................................1 1.1. Latar Belakang ......................................................................................1 1.2. Tujuan Pengujian ..................................................................................3 1.3. Manfaat Pengujian ................................................................................3 1.4. Ruang Lingkup Pengujian .....................................................................3 1.5. Sistematika Penulisan ...........................................................................4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA.......................................................................5 2.1. Dasar Motor Bakar ................................................................................5 2.2. Minyak Bumi ........................................................................................6 2.3. Pertalite .................................................................................................8 2.4. Dasar Aditif ...........................................................................................10 2.4.1. Klasifikasi Aditif ........................................................................11 2.4.1.1. Manfaat Aditif pada Fungsi Sistem Pelumasan ...........11 2.4.1.2. Manfaat Aditif pada Fungsi Sistem Distribusi Bahan Bakar dan Sistem Pembakaran ........................11 2.4.1.3. Manfaat Aditif pada Fungsi Bahan Bakar ....................12 2.4.2. Zat Aditif Secara Umum ............................................................13 2.5. Motor Bakar Bensin ..............................................................................14 2.5.1. Siklus Otto Ideal ........................................................................15 2.6. Unjuk Kerja Motor Bakar Bensin .........................................................17 2.6.1. Torsi (Torque) ............................................................................17 2.6.2. Daya (Power) .............................................................................17
v Universitas Sumatera Utara
2.6.3. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (Specific Fuel Consumption) .....................................................19 2.6.4. Rasio Udara-Bahan Bakar (Air Fuel Ratio) ...............................20 2.6.5. Efisiensi Volumetris (Volumetric Efficiency) ............................22 2.6.6. Efisiensi Termal (Thermal Efficiency) .......................................22 2.7. Nilai Kalor Bahan Bakar .......................................................................23 BAB III METODOLOGI PENELITIAN .......................................................25 3.1. Objek Penelitian ....................................................................................25 3.2. Waktu dan Tempat ................................................................................25 3.3. Alat dan Bahan ......................................................................................26 3.3.1. Alat .............................................................................................26 3.3.2. Bahan .........................................................................................29 3.4. Metode Pengumpulan Data ...................................................................33 3.5. Metode Pengolahan Data ......................................................................33 3.6. Pengamatan dan Tahap Pengujian ........................................................33 3.7. Prosedur Pengujian Konsumsi Bahan Bakar ........................................34 3.8. Prosedur Pengujian Performansi Mesin ................................................36 3.9. Prosedur Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar ......................................38 BAB IV ANALISA DAN HASIL PENGUJIAN .............................................41 4.1. Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar ......................................................41 4.2. Pengujian Performansi Motor Bakar ....................................................44 4.2.1. Torsi ...........................................................................................47 4.2.2. Daya ...........................................................................................50 4.2.3. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (Specific Fuel Consumption) .....................................................51 4.2.4. Rasio Udara Bahan Bakar (AFR) ...............................................54 4.2.5. Efisiensi Volumetris....................................................................56 4.2.6. Efisiensi Termal ..........................................................................58 4.3. Hasil Pengujian .....................................................................................60 4.4. Perbandingan Hasil Pengujian ..............................................................61
vi Universitas Sumatera Utara
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................63 5.1. Kesimpulan ...........................................................................................63 5.2. Saran .....................................................................................................66 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................xiii LAMPIRAN
vii Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1.
Fraksi-fraksi penyulingan bertingkat minyak bumi ......................... 7
Tabel 2.2.
Standar dan mutu (spesifikasi) bahan bakar jenis bensin 90 (pertalite) .......................................................................................... 9
Tabel 3.1.
Spesifikasi Honda Supra X 125 D ................................................... 27
Tabel 4.1.
Data Hasil T1 dan T2 Air Pendingin Bom Kalorimeter ................... 41
Tabel 4.2.
Data Hasil Pengujian dan Perhitungan HHV dan LHV ................... 42
Tabel 4.3.
Nilai Rata-Rata Pengujian Massa Tarik Timbangan Pegas dan Konsumsi 40 ml bahan bakar .................................................... 44
Tabel 4.4.
Data Hasil Perhitungan untuk Pengujian Torsi ................................ 48
Tabel 4.5.
Data Hasil Perhitungan untuk Pengujian Daya ................................ 50
Tabel 4.6.
Data Hasil Perhitungan untuk Laju Aliran Bahan Bakar (ṁf) dan konsumsi bahan bakar spesifik (Sfc) ........................................ 52
Tabel 4.7.
Data Hasil Rasio Udara dan Bahan Bakar (AFR)............................ 54
Tabel 4.8.
Data Hasil Perhitungan Efisiensi Volumetris .................................. 56
Tabel 4.9.
Data Hasil Perhitungan Efisiensi Termal ......................................... 58
Tabel 4.10. Hasil Pengujian Rata-Rata Nilai Kalor Bahan Bakar ...................... 60 Tabel 4.11. Hasil Pengujian Rata-Rata Unjuk Kerja Motor Bakar..................... 60 Tabel 4.12. Perbandingan Nilai Kalor Bahan Bakar........................................... 61 Tabel 4.13. Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar ......................................... 62
viii Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1.
Proses pembakaran luar (atas) dan proses pembakaran Dalam (bawah) ............................................................................. 6
Gambar 2.2.
Destilasi bertingkat ....................................................................... 7
Gambar 2.3.
Pembagian langkah pada siklus otto............................................. 15
Gambar 2.4.
Diagram P-v dan diagram T-s siklus otto ideal ............................ 16
Gambar 3.1.
Bom Kalorimeter ......................................................................... 26
Gambar 3.2.
Mesin Honda Supra X 125 ........................................................... 26
Gambar 3.3.
Tachometer ................................................................................... 28
Gambar 3.4.
HIDS HD-30 ................................................................................. 28
Gambar 3.5.
Timbangan Pegas Tarik ................................................................ 29
Gambar 3.6.
Spuit 60 ml .................................................................................... 30
Gambar 3.7.
Stopwatch ..................................................................................... 30
Gambar 3.8.
Rantai ............................................................................................ 31
Gambar 3.9.
Tools ............................................................................................. 31
Gambar 3.10. Bahan Bakar Pertalite RON 90 ..................................................... 32 Gambar 3.11. STP Octane Booster ..................................................................... 32 Gambar 3.12. Pengujian Konsumsi 40 ml Bahan Bakar ............................................................................................. 34 Gambar 3.13. Diagram Alir Pengujian Konsumsi 40 ml Bahan Bakar .............. 35 Gambar 3.14. Diagram Alir performansi Motor Bakar ....................................... 37 Gambar 3.15. Pengujian Performansi Motor Bakar ............................................ 38 Gambar 3.16. Diagram Alir Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar ....................... 40 Gambar 4.1.
Diagram HHV vs Bahan Bakar .................................................... 43
Gambar 4.2.
Diagram LHV vs Bahan Bakar ..................................................... 43
Gambar 4.3.
Grafik Massa Tarik Timbangan Pegas (kg) vs Putaran Mesin (rpm) .................................................................................. 45
Gambar 4.4.
Diagram Waktu Menghabiskan 40 ml BB vs Putaran Mesin (rpm) .................................................................................. 46
ix Universitas Sumatera Utara
Gambar 4.5.
Grafik Pengujian Torsi (Nm) vs Putaran Mesin (rpm) ................. 49
Gambar 4.6.
Grafik Daya (Watt) vs Putaran Mesin (rpm) ................................ 51
Gambar 4.7.
Grafik Sfc (gr/kWh) vs putaran mesin (rpm) ............................... 53
Gambar 4.8.
Grafik Air Fuel Ratio (AFR) vs Putaran Mesin (rpm) ................. 55
Gambar 4.9.
Grafik Efisiensi Volumetris ηv (%) vs Putaran Mesin (rpm) .................................................................................. 57
Gambar 4.10. Grafik Efisiensi Termal ηth,B (%) vs Putaran Mesin (rpm) .................................................................................. 59
x Universitas Sumatera Utara
DAFTAR NOTASI
Simbol
Arti
Satuan
HHV
Nilai kalor atas bahan bakar
kJ/kg
LHV
Nilai kalor bawah bahan bakar
kJ/kg
F
Gaya yang diberikan roda belakang
N
m
Massa tarik timbangan pegas
kg
g
Percepatan gravitasi (9,81)
m/s2
τ
Torsi
Nm
τroda
Torsi roda
Nm
τmesin
Torsi mesin
Nm
r
Jari-jari roda belakang
m
FR
Final Ratio
-
Pb
Daya
Watt
π
pi (3,14)
-
n
Putaran mesin
rpm
sfc
Konsumsi bahan bakar spesifik
g/kWh
ṁf
Laju aliran massa bahan bakar
kg/jam
sgz
Rasio massa jenis zat -air
-
ρz
Massa jenis zat
kg/m3
ρa
Massa jenis aditif
kg/m3
ρp
Massa jenis pertalite
kg/m3
ρair
Massa jenis air (999,8)
kg/m3
ρf
Massa jenis bahan bakar
kg/m3
Vf
Volume bahan bakar yang diuji
m3
tf
Waktu konsumsi bahan bakar
detik
A
Rasio volume zat aditif-campuran
-
P
Rasio volume pertalite-campuran
-
AFR
Air-Fuel Ratio
-
ṁa
Laju aliran massa udara
kg/jam xi Universitas Sumatera Utara
ma
Massa udara masuk silinder per siklus
kg
B
Diameter piston
m
S
Panjang langkah
m
Vd
Volume silinder/displacement
m3
Vc
Volume sisa/Clearence
m3
RC
Rasio Kompresi
-
Nd
Jumlah silinder
silinder
a
Putaran poros dalam satu siklus
putaran
ηv
Efisiensi Volumetris
%
ηth,b
Efisiensi Termal
%
ρa
Kerapatan udara
kg/m3
Pi
Tekanan udara masuk silinder
kPa
Pa
Tekanan udara (101325)
Pa
Ti
Temperatur udara masuk silinder
K
Ta
Temperatur udara lingkungan
K
R
Konstanta udara (0,287)
kJ/kg.K
Tkp
Kenaikan temperatur kawat penyala
o
T1
Temperatur air pendingin sebelum
o
C C
Penyalaan T2
o
Temperatur air pendingin sesudah
C
Penyalaan Cv
Panas jenis bom kalorimeter (73529,6)
kJ/kgoC
xii Universitas Sumatera Utara
