BAB IV METODE
4.2 Rancangan Eksperimen
4.2.3 Experimental Setup
CNG yang telah melewati savety valve kemudian mengalir menuju katup yang menjadi satu dengan flow meter. Katup ini berfungsi untuk mengatur laju aliran CNG yang diinjeksikan ke ruang bakar. Selanjutnya CNG masuk ke ruang bakar bersama udara melalui injektor CNG yang terpasang pada intake manifold mesin. Bahan bakar solar diinjeksikan sesuai dengan sistem penginjeksian diesel konvensional. Tidak dilakukan modifikasi apapun pada sistem penginjeksian bahan bakar diesel. Jumlah konsumsi bahan bakar diesel ditentukan secara langsung dengan mengukur laju bahan bakar solar yang digunakan.
Gambar 4. 8 Skema rancangan penelitian pada mesin diesel modifikasi sistem dual fuel
4.2.3 Experimental Setup
Pengujian dilakukan pada dua kondisi operasi mesin, yaitu pada kondisi operasional diesel dan dual fuel tanpa aplikasi intake valve fin dan pada kondisi operasional diesel dan dua fuel dengan aplikasi intake valve fin. Rancangan pengujian mesin pada kondisi satu dan dua disajikan pada Tabel 4.4.
45 4.2.3.1 Pengujian pada Mesin Diesel
Pengujian pada mesin diesel dilakukan pada putaran mesin 1800, 2000 dan 2200 rpm dan pada beban 1000 – 4000 Watt (dengan interval 1000 Watt) untuk masing masing putaran mesin. Pada operasional diesel konvensional, bahan bakar solar diinjeksikan sesuai dengan sistem bahan bakar mesin, yaitu pada 18⁰ sebelum TMA. Pada proses pengambilan data, beberapa parameter mesin akan diukur, seperti putaran mesin (Nmesin), putaran generator (Ngenerator), tegangan listrik (V), arus listrik (A) dan waktu yang dibutuhkan bahan bakar SOLAR untuk berkurang sebanyak 10 ml.
4.2.3.2 Pengujian pada Mesin Dual Fuel
Pada kondisi operasional dual fuel, mesin beroperasi dengan dua bahan bakar yaitu bahan bakar CNG dan Solar. Pengujian pada mesin dual fuel dilakukan pada putaran mesin 1800, 2000 dan 2200 rpm dan pada beban 1000 – 4000 Watt (dengan interval 1000 Watt) untuk masing masing putaran mesin. Bahan bakar CNG diinjeksikan keruang bakar pada 200⁰ setelah TMA dan bahan bakar solar diinjeksikan sesuai dengan kondisi operasional diesel konvensional yaitu pada 18⁰ sebelum TMA.
Pada sistem dual fuel, mesin dioperasikan pada durasi injeksi CNG konstan, yaitu selama 12 ms. Pada kondisi operasi ini, akan dianalisis substitusi energi maksimal dan substitusi energi rata-rata yang diperoleh mesin. Formula substitusi energi solar menjadi CNG dapat dianalisis pada persamaan (4.11).
𝜃 = ṁCNG . LHVCNG
ṁsolar . LHVsolar + ṁCNG . LHVCNG x 100% (4.11)
θ adalah substitusi energi diesel menjadi gas (%), ṁ adalah laju konsumsi bahan bakar (gr/s), dan LHV adalah nilai kalor suatu bahan bakar yang mengindikasi energi pembakaran. Setelah diperoleh substitusi rata-rata dan substitusi maksimal, selanjutnya pengujian dilakukan pada mesin saat beroperasi pada subtitusi energi solar ke CNG konstan yaitu sebesar 38%.
Pada proses pengambilan data mesin dual fuel, beberapa parameter mesin akan diukur, seperti putaran mesin (Nmesin), putaran generator (Ngenerator), tegangan listrik (V), arus listrik (A), waktu yang dibutuhkan bahan bakar SOLAR untuk berkurang sebanyak 10 ml dan laju aliran bahan bakar CNG yang masukke dalam ruang bakar.
46 4.2.3.3 Pengujian Mesin Diesel dan Dual Fuel dengan Aplikasi Intake Valve Fin
Pada kondisi operasi ini, variasi intake valve fin diaplikasikan untuk membentuk beberapa aliran yang berbeda. Fin digunakan karena dapat membentuk aliran swirl pada ruang bakar, sehingga proses pembakaran pada mesin diesel konvensional dan mesin dual fuel lebih baik (Yerrenagoudaru et al. 2014). Bukaan katup pada pengujian mesin kondisi ini tidak dimodifikasi.
Intake valve fin yang digunakan pada pengujian divariasikan berdasarkan jumlah fin
yang ada pada valve, yaitu fin 3, 4 dan 5. Jumlah dan ukuran fin yang diaplikasikan pada intake
valve perlu dipertimbangkan, karena semakin banyak dan semakin besar ukuran fin, maka akan
menghambat jalan masuk udara dan CNG menuju ruang bakar.
Pengujian pada ini, mesin diesel dan mesin dual fuel akan dioperasikan pada putaran mesin 1800, 2000 dan 2200 rpm dan pada beban 1000 – 4000 Watt (dengan interval 1000 Watt) untuk masing masing putaran mesin. pengujian dilakukan pada katup hisap original dan katup hisap dengan 3 fin, 4 fin dan 5 fin. Pada proses pengambilan data mesin, beberapa parameter mesin akan diukur, seperti putaran mesin (Nmesin), putaran generator (Ngenerator), tegangan listrik (V), arus listrik (A), waktu yang dibutuhkan bahan bakar SOLAR untuk berkurang sebanyak 10 ml, serta laju aliran bahan bakar CNG yang masukke dalam ruang bakar saat mesin dioperasikan pada sistem dual fuel.
4.2.4 Pengaruh Intake Valve Fin terhadap Unjuk Kerja
Pengujian mesin yang dilakukan pada penelitian ini bertujuan untuk menganalisis unjuk kerja mesin pada setiap experimental setup. Pada proses pengambilan data mesin, beberapa parameter mesin akan diukur, seperti putaran mesin (Nmesin), putaran generator (Ngenerator), tegangan listrik (V), arus listrik (A) dan waktu yang dibutuhkan bahan bakar SOLAR untuk berkurang sebanyak 10 ml. Parameter tersebut berfungsi untuk menentukan daya (P) torsi (T), konsumsi bahan bakar spesifik (SFC) dan efisiensi termal mesin. Daya, torsi, konsumsi bahan bakar dan efesiensi termal adalah indikator unjuk kerja yang sangat penting guna mengindikasi mesin bekerja dengan baik. Pada sub-bab berikut akan dijelaskan perhitungan unjuk kerja mesin dari data yang diperoleh pada proses eksperimen.
47 4.2.4.1 Perhitungan Unjuk Kerja
Daya merupakan salah satu parameter dalam menentukan unjuk kerja mesin. Pada pengujian, daya mesin ditentukan oleh besarnya tegangan dan arus listrik yang dihasilkan pada setiap putaran dan pembebanan mesin. Formula daya disajikan pada persamaan (4.12) (Semin
et al. 2017).
P = v x i
ηgen x ηslip (4.12)
P adalah daya yang dihasilkan mesin (kW), v adalah tegangan listrik (Volt), i adalah arus listrik (Ampere), ηgen adalah efisiensi generator, ηslip adalah efisiensi slip. Efisiensi generator sebesar 0.85 dengan losses yang terjadi diasumsikan sebesar 15%. Efisiensi slip adalah perbandingan antara putaran mesin dan putaran generator.
Torsi atau momen putar mesin merupakan salah satu parameter unjuk kerja mesin yang berbanding lurus dengan daya. Ketika daya yang dihasilkan mesin besar, maka torsi yang dihasilkan mesin juga besar. Hubungan antara torsi dan daya mesin ditampilkan pada persamaan (4.13) (Semin et al. 2017). T adalah torsi mesin (Nm) dan N adalah putaran mesin (rpm).
𝑇 = 𝑃
2 𝜋 𝑥 𝑁 (4.13)
BMEP adalah tekanan efektif rata-rata dari fluida kerja terhadap piston sepanjang langkahnya untuk menghasilkan kerja per siklus. Hubungan antara daya dan tekanan efektif ruang rata-rata yang dihasilkan adalah berbanding lurus. Ketika daya yang dihasilkan mesin besar, BMEP mesin juga besar. Hubungan antara BMEP dan daya dapat dianalisis pada persamaan (4.14) (Heywood, 1998).
BMEP = 2π x P x Z
48 BMEP adalah tekanan efektif rata-rata mesin (bar), Z adalah konstanta yang mengindikasi langkah kerja mesin dan V adalah volume ruang bakar (m3). Pada mesin dua langkah dan empat langkah, masing-masing nilai Z adalah 1 dan 2.
Laju konsumsi bahan bakar (fuel consumption rate) mesin berbanding lurus dengan konsumsi bahan bakar spesifik (specific fuel oil consumption). Laju konsumsi bahan bakar adalah banyaknya bahan bakar yang digunakan dalam kurun waktu tertentu. Formula laju konsumsi bahan bakar dan konsumsi bahan bakar spesifik dapat dilihat pada persamaan (4.15) dan (4.16) (Semin et al. 2017).
𝑚̇ = 𝒗 𝒙 𝝆
𝒕 (4.15)
SFOC = ṁ
P (4.16)
ṁ adalah laju konsumsi bahan bakar (gr/s), v adalah volume bahan bakar yang digunakan (m3), ρ adalah masa jenis bahan bakar (gr/m3), t adalah waktu yang dibutuhkan untuk penggunaan bahan bakar sebanyak 10 ml (s). Pada persamaan (4.17), dapat dilihat hubungan berbanding terbalik antara SFOC dengan daya mesin. Semakin besar daya yang dihasilkan mesin, maka semakin kecil nilai SFOC mesin. SFOC mengindikasikan boros atau tidaknya suatu mesin. Semakin kecil nilai SFOC maka mesin semakin hemat.
ηth D= 𝑃𝑒
ṁ ×LHV x 100% (4.17)
ηth DF= 𝑃𝑒
ṁsolar . LHVsolar + ṁCNG . LHVCNG x 100% (4.18)
Efisiensi termal adalah indikator dari besarnya energi yang dikonsumsi oleh mesin. Artinya efisiensi termal merupakan ukuran besarnya pemanfaatan energi panas yang tersimpan dalam bahan bakar untuk diubah menjadi daya efektif oleh mesin. Ini mengindikasi seberapa efisien energi yang diinput dan dikonversi menjadi energi output (Pulkrabek, 2004). Formula efisiensi termal pada mesin diesel konvensional dan mesin dual fuel disajikan pada persamaan