Karburator diuji untuk mengetahui pengaruhnya pada kinerja motor. Parameter yang diukur pada pengujian ini meliputi putaran motor, daya, dan torsi yang dihasilkan. Karburator diuji pada berbagai perlakuan sesuai jumlah lubang biogas yang terbuka. Jumlah lubang biogas yang terbuka akan mempengaruhi rasio luas penampang antara lubang udara masuk dan lubang biogas. Rasio luas penampang ini dapat dilihat pada Tabel 6.
Tabel 6. Perlakuan saat pengujian dan rasio luas penampang Nomor Perlakuan (jumlah lubang) Rasio Luas penampang
1 2 1 : 5.556
2 4 1 : 2.778
3 6 1 : 1.852
4 8 1 : 1.389
Secara teoritis rasio ideal antara biogas dan udara dapat dihitung menggunakan reaksi pembakaran yang terjadi dalam silinder sebagai berikut:
�4+ 2 2→ 2+ 2�2 (12)
Koefisien pada reaksi di atas memperlihatkan rasio yang dibutuhkan antara metana dan oksigen yang dibutuhkan, yaitu sebesar 1:2. Walaupun nilai ini dinyatakan dalam satuan mol, namun dengan mengasumsikan gas –gas yang terlibat ialah gas ideal maka sesuai hukum Avogadro maka nilai rasio ini juga berlaku untuk volume. Hal ini terjadi karena biogas dan udara dicampur pada tekanan yang sama di dalam venturi. Dengan asumsi kandungan metana pada biogas sebesar 60% dan kandungan oksigen ada udara sebesar 20.9%, didapatkan rasio yang ideal antara biogas dan udara sebesar 1:5.7.
Pengujian dilakukan menggunakan dinamometer merk Dyno-Mite dengan perangkat lunak Dyno-Max yang telah diinstal pada seperangkat komputer pribadi. Dinamometer yang digunakan berjenis water brake, artinya dinamometer memanfaatkan air sebagai sumber gesekan dengan poros motor. Untuk itu pengujian dilakukan di dalam laboratorium dekat dengan sumber air.
Langkah dalam melakukan pengujian dimulai dengan mempersiapkan segala perlengkapan, termasuk motor bensin, karburator biogas, toolbox beserta isinya, dinamometer, komputer pribadi beserta perangkat lunak perekam data, dan sumber air. Dinamometer dipasang pada poros motor dan dikencangkan. Semua selang-selang penyalur air dihubungkan pada sumber air dan dinamometer serta tempat pembuangan air. Selanjutnya dinamometer dan komputer dihubungkan menggunakan data recorder dan kabel yang tersedia. Setelah semua perangkat keras terhubung, komputer dinyalakan dan perangkat lunak Dyno-Max dijalankan.
Dalam pengujian ini setidaknya ada tiga orang untuk dilibatkan. Satu orang bertugas memberi beban dinamometer, satu orang bertugas menyalakan motor dan berjaga di dekat motor selama pengujian, sementara satu orang sisanya bertugas mengatur katup biogas dan mengoperasikan komputer.
Sebelum dilakukan pengujian, motor dipanaskan terlebih dahulu dengan cara dinyalakan dan dibiarkan pada rpm rendah selama beberapa menit. Hal ini perlu dilakukan agar semua sistem di
34 dalam motor telah berjalan normal, terutama sistem pelumasan. Dengan demikian data yang didapatkan dapat lebih valid.
Pengujian dimulai dengan menjalankan motor hingga pada putaran maksimum yang bisa dicapai. Putaran maksimum ini diperoleh dengan cara mengatur throttle dan katup biogas. Setelah motor stabil pada putaran maksimumnya, data mulai direkam dan beban diberikan perlahan dengan cara memutar katup load pada dinamometer dengan sangat halus dan perlahan. Proses pemberian beban harus dilakukan dengan sangat hati-hati, karena lonjakan beban yang terlalu besar akan membuat putaran motor turun drastis sehingga data yang dihasilkan tidak merata di setiap rpm. Selama pemberian beban layar komputer harus terus diperhatikan untuk melihat torsi dan rpm yang dihasilkan. Ketika putaran motor telah menurun dan torsi turun maka pengujian telah selesai dilakukan Beban dapat dilepaskan dan ketika motor telah stabil di putaran tinggi, motor dapat dimatikan.
Setiap perlakuan dilakukan pengujian sebanyak tiga kali untuk memastikan data yang dihasilkan benar-benar valid. Gambar dinamometer dan perangkat komputer pribadi ditunjukkan pada Gambar 12 sedangkan skema setup pengujian ditunjukkan pada Gambar 13.
Gambar 12. Komputer pribadi dengan perangkat lunak Dyno-MAX (kiri) dan dinamometer yang telah terpasang pada motor bensin (kanan).
35
= Biogas = Air = Listrik = Data
Gambar 13. Skema setup pengujian karburator biogas
D.
SIMULASI ALIRAN MENGGUNAKAN
COMPUTATIONAL FLUID
DYNAMICS (CFD)
Karakteristik aliran dan campuran antara biogas dan udara dalam karburator biogas sulit dilihat secara langsung karena proses pencampuran terjadi di dalam badan karburator dan kedua bahan tersebut sama-sama tidak bisa dilihat langsung secara kasat mata. Untuk memprediksi karakteristik aliran dan proses pencampuran maka digunakanlah simulasi menggunakan computational fluid dynamics (CFD). Simulasi dilakukan menggunakan perangkat lunak ANSYS FLUENT Versi 13, sementara itu pembuatan model geometri venturi dan diskretisasi (meshing) menggunakan perangkat lunak GAMBIT.
Model dan persamaan dasar yang digunakan dalam simulasi karburator biogas adalah model multifasa dan model viskos. Model aliran multifasa digunakan untuk mendefinisikan dua jenis material yang berbeda (biogas dan udara). Pada FLUENT disediakan beberapa model untuk aliran multifasa, yaitu Volume of Fluid (VOF), mixture, dan eulerian. Output yang diharapkan dari simulasi ini ialah mengetahui karakteristik aliran dan campuran antara biogas sehingga model yang tepat untuk
Motor Dinamometer Karburator Suplai Biogas Suplai air Pembuangan Air Data Controller Komputer Pribadi Katup Load Sumber listrik AC 220 V 50- 60 Hz DC Adaptor 12 V
36 digunakan ialah model mixture. Model viskos yang digunakan ialah model k-epsilon karena jenis aliran yang disimulasikan ialah aliran turbulen. Model k-epsilon merupakan model yang cukup akurat menganalisis aliran turbulen. Selain itu, model k-epsilon juga sangat stabil dalam menganalisis aliran dan komputasinya relatif lebih singkat.
Aliran di dalam karburator terjadi akibat adanya perbedaan tekanan antara tekanan atmosfer pada ujung choke karburator dan tekanan pada intake manifold. Supaya aliran dapat disimulasikan dengan tepat maka nilai tekanan pada intakemanifold harus diketahui. Tekanan pada intake manifold dapat dinyatakan dalam Persamaan 13 (Mitran, 2008):
= 0− Δ (13) Dimana:
= Tekanan pada intake manifold (Pa) 0 = Tekanan atmosfer (Pa)
Δ = Perbedaan tekanan (Pa)
Perbedaan tekanan antara atmosfer dan tekanan pada intake manifold disebabkan oleh adanya kehilangan tekanan akibat gesekan dan hambatan lain yang terdapat pada manifold. Secara umum kehilangan tekanan ini dapat dinyatakan dengan Persamaan 14 (Mitran, 2008):
Δ = × (14) Dimana:
Δ = Kehilangan tekanan (Pa) = Berat Jenis (N/ 3)
= head loss (m)
Nilai head loss ini dapat dibagi menjadi dua komponen (Mitran, 2008):
= + (15) Dimana:
= head loss linear (akibat gesekan) (m) = head loss akibat belokan/sambungan (m)
Head loss linear dapat dihitung menggunakan Persamaan Darcy (Mitran, 2008):
=� . . 2
2 (16) Dimana:
� = koefisien head loss linear = panjang pipa manifold (m)
= diameter dalam pipa manifold (m)
W = kecepatan aliran fluida (m/s) g = percepatan gravitasi ( 2)
37 Karakteristik aliran dapat dinyatakan dengan bilangan Reynold, yang bisa dihitung menggunakan Persamaan 17 (Mitran, 2008):
= . (17) Dimana:
v = viskositas kinematik ( 2 )
Koefisien head loss linear dapat dihitung menggunakan persamaan Moody untuk bilangan
4.103< < 107(Mitran, 2008): �= 0.0055. 1 + 20000. +10 6 1 3 (18) Dimana: =
= Kekasaran rata-rata permukaan dalam manifold (m)
Head loss akibat belokan dapat dihitung menggunakan persamaan Weissenbach (Mitran, 2008): =�.
2
2 (19)
Perhitungan secara lengkap untuk menghitung tekanan pada intake manifold dapat dilihat pada Lampiran 4. Input data yang dimasukkan pada boundary conditions atau kondisi batas pada perangkat lunak simulasi dapat dilihat pada Tabel.
Tabel 7. Input data pada boundary conditions simulasi CFD
No. Variabel Zona
Inlet udara Inlet biogas Outlet
1 Fasa Udara Biogas Mixture
2 Massa Jenis ( 3) 1.2 1.164 Mixture
3 Tipe Pressure inlet Pressure inlet Pressure outlet
38 Bagan alir proses simulasi menggunakan CFD dapat dilihat pada Gambar 14.
Gambar 14. Diagram alir prosedur simulasi Mulai
Pembuatan Geometri dan meshing Venturi Pengecekan Mesh
Mesh Baik (<0.9)?
Pendefinisan kondisi batas geometri (inlet udara, inlet biogas, outlet)
Mesh Baik?
Ya
Penentuan kondisi batas Proses Numerik Iterasi Error? Selesai Koreksi Data GAMBIT ANSYS FLUENT
39