KAJIANEKSPERIMENTALPERBANDINGAN
PERFORMANSIMESINOTTOBAHAN
BAKARPREMIUMDENGANCAMPURAN BAHAN BAKAR
BIOGAS DAN LPG
SKRIPSI
Skripsi YangDiajukanUntukMelengkapi Syarat MemperolehGelarSarjanaTeknik
JUNARDO RODOASI SIJABAT
NIM.110421068
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTASTEKNIK
UNIVERSITASSUMATERA UTARA
KATAPENGANTAR
Puji syukurpenulis ucapkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esayang telah
memberikankemudahan dan
kesehatan,sehinggapenulisdapatmenyelesaikanskripsiinidengan judul“KAJIAN
EKSPERIMENTAL PERBANDINGANPERFORMANSIMESIN OTTO
DENGAN BAHAN BAKAR PREMIUM DENGAN CAMPURAN BAHAN
BAKARBIOGAS DAN LPG”.
Skripsi ini disusununtukmemenuhisyaratmenyelesaikanpendidikan
Strata-1(S1)padaDepartemenTeknikMesin, Fakultas TeknikUniversitas Sumatera Utara.
Dalam penyusunan skripsi ini penulis banyak mengalami hambatan,
namun berkatdoadan bantuan baik mater, moril,
maupunsemangatdariberbagaipihakakhirnyakesulitan itu dapatteratasi. Dalam
kesempatan ini penulis juga mengucapkan terima kasih kepada:
1. Orang tua saya tercinta (M.sijabat,B.Butat-butar ) yang telah membesarkan
penulis, membimbing, memberikan kasih sayang, perhatian baik spiritual
maupun material serta semangat yang begitu besar kepada penulis mulai awal
kuliah hingga penyelesaian Skripsi ini.
2. BapakIr.M.SyahrilGultomMTselakudosenpembimbing dan Sekretaris
Departemen TeknikMesin Universitas Sumatera Utara,yang
denganpenuhkesabarantelahmemberikanbimbingandanmotivasi kepada
penulis.
3. Bapak Dr. Ing. Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen TeknikMesin
Universitas Sumatera Utara.
4. SeluruhstafpengajardanstaftatausahaDepartemenTeknikMesinyang
telahmembimbing serta membantusegalakeperluanpenulis selamapenulis
kuliah.
5. Kepada Orang tua saya ( M. Sijabat, B.Butar-butar ) yang selalu memberikan
Doa dan motivasi dan kepada Abang ,Adik serta E.Butar-butar yang selalu ada
6. Kepada teman-teman satu tim Parlindungan Hasibuan,Sugianto,dan seluruh
rekan-rekan m a h a s i s w a Departemen TeknikMesin Universitas Sumatera
Utarakhususnya angkatan2 0 11ekstensi yang tak mungkin disebutkan satu
persatu terima-kasih atas bantuannya semoga kita tetap mempertahankan
hubungan kita yang terbentuk dalam satu ikatan PERSAHABATAN.
Penulis menyadari bahwamasih banyak kesalahan dan kekeliruan dalam
penulisanskripsi ini. Olehkarena itupenulis akansangatberterimakasihdan
dengansenanghatimenerimasaran dankritikyangmembangundemitercapainya
tulisanyang lebihbaik.
Akhir kata penulis berharap semoga Skripsi ini bermanfaat bagi siapa saja
yang membaca, baik sebagai bahan masukan ataupun sebagai bahan perbandingan.
Medan, Desember 2014
DAFTARISI
DAFTARGAMBAR ... vi
DAFTARNOTASI ... vii
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Tujuan Penelitian ... 2
1.3. BatasanMasalah ... 2
1.4. Manfaat Penulisan ... 3
1.5. SistematikaPenulisan ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Biogas ... 5
2.1.1. Nilai Potensi Biogas ... 6
2.1.2 Proses Pembentukan Biogas ... 7
2.1.3 Faktor-Faktor Yang Menpengaruhi Produksi Biogas ... 8
2.2. Liquified Petroleum Gas (LPG) ... 13
2.3. Motor Bakar ... 14
2.3.1 Mesin Otto ... 16
2.4. Performansi MotorBakar ... 24
2.4.1. Torsi dan Daya ... 24
2.4.2. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC) ... 25
BAB IIIMETODOLOGI PENELITIAN ... 28
3.1. Waktu dan Tempat ... 28
3.2. Bahan Pengujian ... 28
3.3. Alat Pengujian ... 29
3.4. Prosedur Pengujian ... 32
3.5. Bagan Alir Pengerjaan ... 34
BAB IVHASIL DAN PEMBAHASAN ... 36
4.1. Pengujian Performansi ... 36
4.1.1. Torsi ... 36
4.1.2. Daya ... 38
4.1.3. Konsumsi BahanBakar Spesifik (SFC) ... 40
BABV KESIMPULANDANSARAN ... 49
5.1. Kesimpulan ... 49
5.2. Saran ... 49
DAFTAR PUSTAKA
DAFTARTABEL
Tabel 2.1. Komposisi Biogas ... 5
Tabel 2.2 Nilai kesetaraan biogas dengan sumber energi lain ... 7
Tabel 2.3 Rasio C/N beberapa bahan organik ... 10
Tabel 2.4 Perkiraan Produksi Dan Kandungan bahan kering kotoran
... be
berapa jenis ternak... 11
Tabel 2.5 Produksi biogas dan Lama cerna (Retention time) kotoran ternak
di dalam tangki pencerna ... 13
Tabel 3.1. Format Pengujian Mesin Dengan Bahan Bakar Premium, Variasi
Beban dan Putaran Mesin ………33
Tabel 3.2. Format Pengujian Mesin dengan Bahan Bakar
Campuran Biogas dengan LPG, variasi dan Putaran Mesin…34
Tabel4.1HasilPengujianTorsiTerhadapPutaran P u t a r a n d a n
v a r i a s i b e b a n s e r t a v a r i a s i b a h a b a k a r p r e m i u m
d e n c a m p u r a n b i o g a s d e n g a n LP G ………...36
Tabel 4.2. Hasil Perhitungan Daya Terhadap Putaran Dengan Variasi
Bahan Bakar Premiumdan campuran Biogas dengan LPG…………38
Tabel4.3.Hasil perhitungan SFC terhadap putan denga variasi bahan bakar
DAFTARGAMBAR
Gambar 2.1. Proses Pembentukan Biogas... 5
Gambar 2.2. DiagramP-v Mesin Otto Aktual dan Ideal ... 1 6 Gambar 2.3. DiagramT-S Mesin Otto ... 17
Gambar 2.4. Sistem Pencampuran Udara + Bahan Bakar Dengan Karburator (A) Dan Sistem Injeksi (B) ..………. 18
Gambar 2.5. Mesin Otto4 Langkah ... 19
Gambar 2.6. Langkah hisap mesin otto 4 langkah ... 19
Gambar 2.7. Langkah Kompresi Mesin Otto 4 Langkah ... 20
Gambar 2.8. Langkah Usaha Mesin Otto 4 Langkah ………...20
Gambar 2.9. Langkah buang mesin otto 4 langkah ... 21
Gambar 2.10. Rope Brake Dynamometer . . . 2 3 Gambar 2.11. Daya dan torsi sebagai fungsi putaran ... 25
Gambar 3.1. Mesin Pemotong Rumput Tagawa TGX 437 . . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . 2 9 Gambar 3.2. Tachometer ... 30
Gambar 3.3. Timbangandigital Xinexten ... 3 1 Gambar 3.4. TimbanganDigital Ion ... 31
Gambar 3.6. Bagan alirprosedur pengerjaan ... 35
Gambar 4.1. Grafik Torsi vs PutaranMesin ...37
Gambar 4.2. Grafik Daya vs PutaranMesin ...39
DAFTAR NOTASI
AFR Rasiomassaudara-bahanbakar
HHV Nilaikaloratas kJ/kg
LHV Nilaikalorbawah kJ/kg
ma Massa udara kg
ṁa Laju aliran massa udara kg/s
mf Massa bahan bakar kg
ṁf Laju aliran bahan bakar kg/jam
n Putaran mesin rpm
Nc Jumlah silinder
ηb Effisiensi termal brake %
ηc Effisiensi pembakaran
ηf Effisiensi konversi bahanbakar
� Daya Watt
Pa Tekanan udara Pa
QHV Nilai kalor bahan bakar (kJ/kg)
R Konstanta gas J/kg.K
Sfc Konsumsi bahan bakar spesifik g/kW.h
τ Torsi keluaran mesin N.m
Ta Temperatur udara K
�� Waktu untuk menghabiskan bahan bakar s
Vc Volume clearance m3
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Kebutuhan akan minyak bumi dari waktu ke waktu terus mengalami
peningkatan sejalan dengan pembangunan yang terjadi di indonesia. Namun , bila
kita sadari ternyata cadangan terhadap minyak bumi yang ada tidak dapat
memenuhi kebutuhan di masa mendatang. Demikian pula halnya kita ketahui
bahwa dalam beberapa tahun terakhir harga minyak mentah dunia terus meningkat
sehingga secara langsung mempengaruhi kenaikan harga bahan bakar minyak
(BBM) di dalam negeri.Di samping itu dengan ketergantungan umat manusia
terhadap energi fosil telah mengakibatkan ketidakseimbangan ekologi hal ini
terlihat dengan proyek eksplorasi migas maupun pertambangan batubara yang
menghasilkan kerusakan lingkungan yang begitu besar. Kondisi demikian
membuat para ilmuwan terus melakukan penelitian untuk mencari bahan bakar
alternatif selain minyak bumi dan berusaha menghemat konsumsi bahan bakar
fosil.
Menghadapi permasalahan tentang ketersediaan energi dan ketergantungan
terhadap minyak bumi maka dilakukan berbagai macam penelitian tentang energi
alternatif pengganti minyak bumi. Banyak studi intensif dilakukan untuk
mendapatkan bahan bakar alternatif diantaranya alkohol (metanol, etanol,
butanol), bahan bakar gas :Compressed NaturalGas (CNG), Liquified Petroleum
Gas (LPG)), biogas, dan gas hasil proses gasifikasi (gas produser).
Biogas sangat potensial sebagai sumber energi terbarukan karena
kandungan methane (CH4) yang tinggi dan nilai kalornya yang cukup tinggiyaitu
berkisar antara 4.800 – 6.700 kkal/m3 (Harahap, 1980). Methane (CH4) yang
hanya memiliki satu karbon dalam setiap rantainya, dapat membuat
karbon panjang. Hal ini disebabkan karena jumlah CO2 yang dihasilkan selama
pembakaran bahan bakar berantai karbon pendek adalah lebih sedikit.
Permasalahannya adalah penggunaan bahan bakar biogas ini belum
diketahui keefektifan dan keefisienannya dilihat dari segi daya yang dihasilkan
dan proses pembakarannya. Selain itu pembakaran metan juga akan menghasilkan
polutan berupa CO2,dan CO, yang apabila kadarnya cukup besar akan mencemari
udara dan berdampak buruk bagi kesehatan manusia. Apabila poin-poin tersebut
menunjukkan bahwa bahan bakar biogas lebih buruk dari bahan bakar fosil, maka
penggunaan bahan bakar biogas belum bisa dikatakan baik untuk menggantikan
bahan bakar fosil. Untuk itu perlu kajian lebih lanjut untuk menunjukkan bahwa
bakar biogas merupakan bahan bakar yang cukup baik untuk menggantikan bahan
bakar fosil.
Penelitian yang dilakukan berupa pengujian performansi mesin pemotong
rumput dengan bahan bakar premium dan campuran bahan bakar biogas dengan
LPG di Universitas Sumatera Utara. Performansi yang diuji pada penelitian ini
mencakup pengujian torsi, pengujian karakteristik daya, pengujian karakteristik
SFC.
1.2. TujuanPenelitian
Adapun tujuan dari penulisan skripsiini adalah sebagai berikut:
1. Untuk memperoleh perbandingan performansi mesin otto bahan bakar
premiumdengancampuran bahan bakar biogas dan LPG
2. Untuk mengetahuijenis bahan bakar alternatif yang dapat dipergunakan
sebagai bahan bakar pengganti dari bahan bakar fosil.
1.3. Batasan Masalah
Untukmemberikan gambaran yang lebih jelas mengenai masalah yang dikaji
dalampenulisan skripsi, maka perlu kiranya diberikanbatasan masalah sebagai
berikut :
1. Bahan Bakar yang digunakan dalam pengujian adalah premium, LPG
2. Mesin yang digunakan untuk pengujian performansi mesin otto
adalah mesin pemotong rumput4 Tak 1 silinder merk
TagawaTGX-437 bahan bakar premium dengan kondisi standar.
3. Alat uji yang digunakan untuk pengujian performansi mesin otto adalah
rope brake dynamometer.
4. Performansi mesin otto yang dihitung adalah:
− Torsi (
τ
) − Daya poros (Ẇ)− Konsumsi bahan bakar spesifik (SFC) − Efisiensi thermal
5. Pada pengujian performansi mesin otto, dilakukan variasi putaran dan
beban yaitu :
− Variasi putaran : 4000 rpm; 5000 rpm; 6000 rpm; 7000 rpm dan 8000 rpm.
− Variasi beban pengereman : 0,2 kg dan 0,6 kg
1.4. Manfaat Penulisan
Adapunmanfaat dariskripsiiniadalah:
1. Dapat mengetahui perbandingan performansi dari mesin pemotong
rumput Tagawa denganmenggunakan bahan bakar premiumdan
campuran bahan bakar biogas dengan LPG.
2. Dapat menjadi referensi pengembangan bahan bakar alternatif
berikutnya.
1.5. Sistematika Penulisan
Adapun sistematika penulisan pada tugas akhir ini adalah :
BAB I PENDAHULUAN
Babinimenjelaskanpendahuluan tentangstudikasus danpemecahan
masalahyangberisiantaralain:latarbelakang,batasan masalah,tujuan
penelitian,manfaat penelitian, dan sistematika penulisan.
Babiniberisidasar teoridari topikyangdikajidan digunakansebagai
landasandalam memecahkanmasalahdan menganalisispermasalahan
tersebutmeliputi penjelasanmengenaijenis-jenismotorbakar,performansi
motor bakar.
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini berisi kerangka pemikiran dan langkah yang dilakukan untuk
mengidentifikasipermasalahan, besertavariabel-variabelyangakandiukur
danperlengkapanpengujian tersebutmeliputi waktudantempatpenelitian,
peralatan pengujian, bahan pengujian dan prosedur pengujian.
BAB IVDATA DAN ANALISIS DATA
Babiniberisianalisisdaridatahasilpengujiandanpermasalahanyang terjadi
padaperhitunganteoritis performansimotor bakar.
BABV KESIMPULANDANSARAN
Bab ini berisi kesimpulan dari analisa yang dilakukan terhadap
permasalahandan saranmengenaipenyempurnaanhasilpenelitianuntuk
BABII
TINJAUANPUSTAKA
2.1. Biogas
Biogas adalah gas yang dihasilkan oleh mikroorganisme ( bakteri ) melalui
proses anaerobik (fermentasi) dari bahan-bahan organik seperti kotoran manusia
dan hewan, tumbuhan, limbah rumah tangga, limbah pertanian, sampah atau
limbah organik yang mudah dicerna dalam kondisi anaerobik. Proses penguraian
bahan organik secara anaerob (tanpa oksigen) disebut juga dengan anerobic
digestion dan peralatan yang digunakan dalam proses disebut sebagai digester
(Aguilar 2001). Komponen utama yang terkandung pada biogas adalah metana
(CH4) dan karbondioksida (CO2). Secara umum komposisi biogas dapat dilihat
pada tabel berikut ini :
Tabel 2.1. Komposisi biogas
No Komposisi Persentase (%)
1 Metana (CH4) 55 – 75
Gas metana (CH4) adalah komponen penting dan utama dari biogas karena
merupakan bahan bakar yang berguna dan memiliki nilai kalor yang cukup tinggi
yakni sekitar 4800kkal/m³(Harahap, 1978) serta mempunyai sifat tidak berbau dan
tidak berwarna. Jika gas yang dihasilkan dari proses fermentasi anaerobik ini dapat
terbakar, berarti mengandung sedikitnya 45% gas metana. Untuk gas metana murni
metana. Karena kalorinya yang cukup tinggi itulah maka biogas dapat digunakan
untuk penerangan, memasak, menggerakkan mesin dan sebagainya.
Berikut ini adalah sifat-sifat umum biogas, yaitu :
1. Gas yang tidak berwarna
2. Gas tidak berbau
3. Merupakan komponen hidrokarbon yang terpendek
4. CH4 di atmosfer bereaksi dengan ozon membentuk CO2 dan H2O
5. Memiliki daya nyala yang sangat tinggi (flameable)
6. Tergolong sebagai gas rumah kaca (GRK)
7. Sumber metana terbesar adalah makhluk hidup (sebagian besar dari rayap,
kotoran mamalia) yang diperkirakan kadar emisinya sekitar 15, 75 dan 100
juta ton/tahun secara berturut-turut dan sedikitnya dari pertanian
8. Bila bereaksi dengan O2 akan menghasilkan CO2 dan H2O
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
(Sumber : Wikipedia, 2005)
2.1.1. Nilai Potensial Biogas
Metana dalam biogas memiliki karakteristik memiliki sifat mudah terbakar
(flammable) dan dapat mengakibatkan ledakan. Hasil pembakarannya relatif lebih
bersih daripada batubara, dan menghasilkan energi yang lebih besar dengan emisi
karbondioksida yang lebih sedikit. Biogas merupakan bahan bakar alternatif terbaik,
karena biogas dapat menjadi bahan bakar ramah lingkungan memiliki kandungan
energi dalam jumlah yang besar, dan limbah biogas (residu) yang dapat dimanfaatkan
sebagai pupuk. Hal ini menunjukkan betapa banyak nilai potensial biogas yang harus
diperhatikan, agar kita lebih serius memanfaatkan serta mengembangkannya sebagai
bahan bakar alternatif seperti yang telah dikembangkan di negara lain baik negara asia
maupun negara amerika dan eropa. Berikut ini dapat kita lihat nilai kesetaraan biogas
Tabel 2.2. Nilai kesetaraan biogas dengan sumber energi lain
Bahan Bakar Kesetaraan Jumlah
Biogas 1 m3
Elpiji 0,46 kg
Minyak tanah 0,62 liter
Minyak Solar 0,52 liter
Bensin 0,8 liter
Kayu bakar 3,5 kg
(Sumber : Hermawan,dkk, 2007)
2.1.2. Proses Pembentukan Biogas
Biogas dibentuk dengan proses pencernaan anaerob dengan bantuan
bakteri penghasil biogas. Bakteri ini terdiri dari beberapa jenis bakteri yaitu
bakteri penghasil gas metana dan bakteri asam yang tidak menghasilkan metana.
Keberadaan kedua jenis bakteri ini harus dalam keadaan seimbang untuk memastikan
proses di dalam digester berjalan dengan efektif (Rahman, 2009). Terdapat
beberapa tahap yang harus dilalui dalam proses pembentukan biogas yaitu dimulai
dari tahap hidrolisis, asidogenesis, asitogenesis, dan tahap yang terakhir
metanogenesis.
Gambar 2.1. Proses pembentukan biogas (Sumber : AL SEADI 2001)
Hidrolisis merupakan penguraian senyawa kompleks menjadi senyawa
sederhana. Pada tahap pertama ini, bahan-bahan organik seperti karbohidrat, lipid,
dan protein didegradasi menjadi senyawa dengan rantai pendek seperti peptida,
asam amino, gula sederhana. Penguraian senyawa ini dilakukan oleh kelompaok
bakteri hidrolisa seperti steptococci, bacteriodes, dan beberapa jenis
enterobactericeae.
Asidogenesis merupakan pembentukan asam dari senyawa sederhana.
Clostridium merupakan jenis bakteri asidogen yang mengubah asam organik,
alkohol dan keton-keton (seperti ethanol, methanol, glyicerol dan aceton).
Syntrobacter dan syntrophomonas wolfei merupakan contoh bakteri asitogen
mengubah fatty acid dan alkohol menjadi asetat, hidrogen, dan karbondioksida
dengan bantuan bakteri methanogen. Ethanol, propinonicacid, dan asam butirat
dapat terkonversi menjadi asam asetat oleh bakteri asitogen.
Metanogenesis merupakan tahapan terakhir dan sekaligus yang paling
menentukan, yakni melakukan penguraian produk dan sintetis tahap sebelumnya
untuk menghasilkan gas metana (CH4). Hasil lain dari proses ini berupa
karbondioksida, air dan sejumlah kecil senyawa gas lainnya. Proses pembentukan
gas metana dengan bantuan bakteri pembentuk metana seperti mathanobacterium,
mathanobacillus, methanosacaria, dan methanococcus. Tahap ini mengubah asam
lemak rantai pendek menjadi H2, CO2, dan asetat.
2.1.3. Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Produksi Biogas
Banyak faktor yang mempengaruhi keberhasilan produksi biogas, antara lain:
1. Bahan Baku
Bahan baku isian berupa bahan organik seperti kotoran ternak, limbah
pertanian, sisa dapur dan sampah organik. Bahan isian harus terhindar dari bahan
anorganik seperti pasir, batu, kaca dan plastik.
Bahan baku dalam bentuk selulosa lebih mudah dicerna oleh bakteri
anaerobik. Sebaliknya, pencernaan akan lebih sukar dilakukan bakteri anaerob jika
bahan bakunya banyak mengandung zat kayu atau lignin. Kotoran sapi dan kerbau
sangat baik dijadikan bahan baku karena banyak mengandung selulosa (Paimin,
2001).
2. Rasio Karbon Dan Nitrogen (C/N)
Karbon dan Nitrogen adalah sumber makanan utama bagi bakteri anaerob,
sehingga pertumbuhan optimum bakteri sangat dipengaruhi unsur ini, dimana
membentuk struktur sel bakteri. Nitrogen amonia pada konsentrasi yang tinggi
dapat menghambat proses fermentasi anaerob. Konsentrasi yang baik berkisar
200– 1500 mg/lt dan bila melebihi 3000 mg/lt akan bersifat toxic. Proses
fermentasi anaerob akan berlangsung optimum bila rasio C:N bernilai 30:1,
dimana jumlah karbon 30 kali dari jumlah nitrogen.
C/N rasio dengan nilai 30 (C/N = 30/1 atau karbon 30 kali dari jumlah
nitrogen) akan menciptakan proses pencernaan pada tingkat yang optimum, bila
kondisi yang lain juga mendukung. Bila terlalu banyak karbon, nitrogen akan
habis terlebih dahulu. Hal ini akan menyebabkan proses berjalan dengan lambat.
Bila nitrogen terlalu banyak (CN rasio rendah; misalnya 30/15), maka karbon
habis terlebih dahulu dan proses fermentasi berhenti tidak boleh dicampur .
Ternak ruminansia seperti sapi, kambing dan domba rata-rata lebih lama
dalam menghasilkan gas bio dibandingkan dengan ternak non ruminansia.
Lamanya produksi gas bio disebabkan oleh mutu pakan yang lebih rendah,
sehingga rasio C/N tinggi akibatnya perkembangan mikroba pembentuk gas lebih
lama dibandingkan yang bermutu tinggi. Tinggi rendahnya mutu ini tergantung
pada nilai N (nitrogen) di dalam ransum. Namun demikian nilai N juga tergantung
pada C (karbon). Jadi, perbandingan C dan N akan menentukan lama tidaknya
proses pembentukan gas bio.
Mikroorganisme membutuhkan nitrogen dan karbon untuk proses
asimilasi. Karbon digunakan sebagai energi sedangkan nitrogen digunakan untuk
membangun struktur sel. Bakteri penghasil metana menggunakan karbon 30 kali
lebih cepat dari pada nitrogen.
Untuk menentukan bahan organik digester adalah dengan melihat
rasio/perbandingan antara Karbon (C) dan Nitrogen (N). Beberapa percobaan
menunjukkan bahwa metabolisme bakteri anaerobik akan baik pada rasio C/N
antara 20-30. Jika rasio C/N tinggi, Nitrogen akan cepat dikonsumsi bakteri
anaerobik guna memenuhi kebutuhan proteinnya, sehingga bakteri tidak akan
bereaksi kembali saat kandungan Karbon tersisa. Jika rasio C/N rendah, Nitrogen
akan terlepas dan berkumpul membentuk amoniak sehingga akan meningkatkan nilai
Untuk menjaga rasio C/N, bahan organik rasio tinggi dapat dicampur bahan organik
rasio C/N rendah. Rasio C/N beberapa bahan organik dapat dilihat pada Tabel 2.3.
Tabel 2.3. Rasio C/N beberapa bahan organik
Bahan Organik Rasio C/N
Kotoran bebek 8
Kotoran manusia 8
Kotoran ayam 10
Kotoran kambing 12
Kotoran babi 18
Kotoran domba 19
Kotoran kerbau/sapi 24
Enceng Gondok (water hyacinth) 25
Kotoran gajah 43
Jerami (jagung) 60
Jerami (padi) 70
Jerami (gandum) 90
Serbuk gergaji > 200
Sumber: Karki and Dixit (1984)
3. Kandungan Bahan Kering
Bahan isian dalam pembuatan biogas harus berupa bubur. Bentuk bubur
ini dapat diperoleh bila bahan bakunya mempunyai kandungan air yang tinggi.
Bahan baku dengan kadar air yang rendah dapat dijadikan berkadar air tinggi
dengan menambahkan air ke dalamnya dengan perbandingan tertentu sesuai
dengan kadar bahan kering bahan tersebut. Bahan baku yang paling baik
mengandung 7-9 % bahan kering (Paimin, 2001).
Setiap kotoran atau bahan baku akan berbeda sifat pengencerannya.
Kotoran sapi segar misalnya, mempunyai kadar bahan kering 18 %. Agar
diperoleh kandungan bahan isian sebesar 7-9 % bahan kering, bahan baku tersebut
perlu diencerkan dengan air dengan perbandingan 1:1 (bahan baku : air). Adonan
Ternyata kotoran masing-masing jenis ternak mempunyai kandungan
bahan kering yang berbeda-beda. Perbedaan bahan kering yang dikandung
berbagai macam kotoran ternak akan membuat penambahan air yang berlainan.
Untuk lebih jelasnya dapat diterangkan seperti pada tabel di bawah ini.
Tabel 2.4. Perkiraan Produksi Dan Kandungan bahan kering kotoran beberapa
jenis ternak
Jenis Ternak Bobot
Ternak (kg)
Gas metana dapat diproduksi pada 3 tingkat temperature sesuai dengan
bakteri yang hadir. Bakteri psyhriphilic 0-7 oC, bakteri mesophilic pada
temperatur 13-40 oC sedangkan termophilic pada temperatur 55-60 oC.
Temperatur yang optimal untuk digester adalah temperatur 30-35 oC, kisaran
temperatur ini mengkombinasikan kondisi terbaik untuk pertumbuhan bakteri dan
produksi metana di dalam digester dengan lama proses yang pendek. Temperatur
yang tinggi atau pada tingkat termophilic jarang digunakan karena sebagian besar
bahan sudah dicerna dengan baik pada tingkat temperatur mesophilic, selain itu
Dekomposisi bahan-bahan organik dibawah kondisi anaerobik
menghasilkan suatu gas yang sebagian besar terdiri atas campuran metana dan
arang oksida. Gas ini dikenal sebagai gas rawa ataupun bio gas. Campuran gas ini
adalah hasil dari fermentasi atau peranan anaerobic disebabkan sejumlah besar
mikroorganisme terutama bakteri metana. Suhu yang baik untuk proses fermentasi
adalah 30 oC hingga kira-kira 55 oC (Kamaruddin, dkk, 1995).
Temperatur yang tinggi akan memberikan hasil biogas yang baik namun
suhu tersebut sebaiknya tidak boleh melebihi suhu kamar. Bakteri ini hanya dapat
subur bila suhu disekitarnya berada pada suhu kamar. Suhu yang baik untuk
proses pembentukan biogas berkisar antara 20-40 oC dan suhu optimum antara
28-30 oC.
5. Derajat Keasaman (pH)
Derajat keasaman (pH) sangat berpengaruh terhadap pertumbuhan
aktivitas bakteri. Kisaran pH optimal untuk produksi metana adalah 7-7,2 tetapi
pada kisaran 7,2-8,0 masih diizinkan. Untuk mencegah penurunan pH pada awal
pencernaan dan menjaga pH pada kisaran yang diizinkan, maka dibutuhkan buffer
yakni dengan penambahan larutan kapur.
Derajat keasaman sangat berpengaruh terhadap kehidupan mikroorganisme.
Derajat keasaman yang optimum bagi kehidupan mikroorganisme adalah 6,8-7,8.
Pada tahap awal fermentasi bahan organik akan terbentuk asam (asam organik)
yang akan menurunkan pH. Untuk mencegah terjadinya penurunan pH dapat
dilakukan dengan menambahkan larutan kapur (Ca(OH)2) atau kapur CaCO3.
6. Lama Fermentasi
Secara umum menurut Sweeten (1979), yang disitasi oleh Fontenot (1983),
menerangkan bahwa proses fermentasi/pencernaan limbah ternak di dalam tangki
pencerna dapat berlangsung 60-90 hari, tetapi menurut Sahidu (1983), hanya
berlangsung 60 hari saja dengan terbentuknya gas bio pada hari ke-5 dengan suhu
pencernaan 28 oC, sedangkan menurut Hadi, gas bio sekitar 10-24 hari.
Produksi biogas sudah terbentuk sekitar 10 hari. Setelah 10 hari fermentasi
penambahan waktu fermentasi dari 10 hari hingga 30 hari meningkatkan produksi
biogas sebesar 50%.
Pada hari ke 30 fermentasi jumlah gas bio yang terbentuk mencapai maksimal,
dan setelah 30 hari fermentasi terjadi penurunan jumlah gas bio (Sembiring,
2004).
Tabel 2.5. Produksi biogas dan Lama cerna (Retention time) kotoran ternak
di dalam tangki pencerna
Jenis Kotoran Ternak Lama Cerna (hari)
Sapi 60-80
Sapi + Jerami 10 % 60-100
Babi 40-60
Babi + Jerami 10 % 60-80
Ayam 80
Kambing/Domba 80-100
(Sumber : Uli et al, 1989. Biogas Plant in Animal Husbandry)
2.2. Liquified Petroleum Gas (LPG)
LPG (liquified petroleum gas), gas minyak bumi yang dicairkan atau yang
sering disebut elpiji adalah campuran dari berbagai unsur hidrokarbon yang berasal
dari gas alam. Dengan menambah tekanan dan menurunkan suhunya, LPG berubah
menjadi cair. Komponennya didominasi propana (C3H8) dan butane(C4H10). Elpiji
juga mengandung hidrokarbon ringan lain dalam jumlah kecil, misalnya etana (C2H6)
dan pentana (C5H12).
LPG terdiri dari campuran utama propana dan butana dengan sedikit
persentasi hidrokarbon tidak jenuh (propilen dan butilen dan beberapa fraksi C2 yang
lebih ringan dan C5 yang lebih berat. Senyawa yang terdapat dalam LPG adalah
propan (C3H8), proilen (C3H6), normal dan iso-butan (C4H10) dan butilen (C4H8). LPG
merupakan campuran dari hidrokarbon tersebut yang berbentuk gas pada tekanan
atmosfer, namun dapat diembunkan menjadi bentuk cair pada suhu normal, dengan
Dalam kondisi atmosfer, elpiji akan berbentuk gas. Volume elpiji dalam
bentuk cair lebih kecil dibandingkan dalam bentuk LPG untuk berat yang sama.
Karena itu elpiji dipasarkan dalam bentuk cair dalam tabung-tabung logam
bertekanan. Untuk memungkinkan terjadinya ekspansi panas (thermal expansion) dari
cairan yang dikandungnya, tabung elpiji tidak diisi secara penuh, hanya sekitar
80-85% dari kapasitasnya. Rasio antara volume gas bila menguap dengan gas dalam
keadaan cair bervariasi tergantung komposisi, tekanan dan temperatur, tetapi biasaya
250:1.
Tekanan di mana elpiji berbentuk cair, dinamakan tekanan uap-nya, juga
bervariasi tergantung komposisi dan temperatur; sebagai contoh, dibutuhkan tekanan
sedir 220 kPa (2.2 bar) bagi butana murni pada 20 °C (68 °F) agar mencair, dan sedir
2.2 MPa (22 bar) bagi propana murni pada 55 °C (131 °F).
Menurut spesifikasinya, elpiji dibagi menjadi tiga jenis yaitu elpiji campuran,
elpiji propana dan elpiji butana. Spesifikasi masing-masing elpiji tercantum dalam
keputusan Direktur Jendral Minyak dan Gas Bumi Nomor: 25K/36/DDJM/1990.
Elpiji yang dipasarkan Pertamina adalah elpiji campuran.
LPG (liquified petroleum gas) atau sering disebut elpiji mempunyai sifat
sebagai berikut:
• Cairan dan gasnya sangat mudah terbakar
• LPG tidak beracun, tidak berwarna dan biasanya berbau menyengat. Dengan adanya bau, maka akan dapat terdeteksi kebocoran pada tabung penyimpang
LPG.
• LPG dikirimkan sebagai cairan yang bertekanan di dalam tangki atau silinder. • Cairan dapat menguap jika dilepas dan menyebar dengan cepat.
• LPG ini lebih berat dibanding udara sehingga akan banyak menempati daerah yang rendah.
2.3. Motor Bakar
Motorbakaradalahmesin kalor yangmenggunakan energi termal untuk
melakukan kerja mekanik yaitu dengan cara
merubahenergikimiadaribahanbakarmenjadienergipanas(thermal) sehingga
prosespembakaranbahanbakar,makamotor bakar dapatdibagi menjadi 2 bagian
dengan kelebihanmasing-masing, yaitu:
1. Mesin Pembakaran Luar(External Combustion Engine)
Mesin pembakaranluar adalah mesin dimana proses pembakaran terjadi
di luar mesin, energi termal dari hasil pembakaran dipindahkan ke fluida
kerja mesin melalui beberapa dinding pemisah.
Contohnya :
a. Steamengine(mesinuaptorak),panaspembakarandidalamruang bakar
akan memanasiairyangkemudianmenjadi uap sehinggauap tersebut
akanmenggerakkan torak.
b. Turbin gas dan turbin uap
Kelebihannya:
1. Dapatdigunakanbahanbakarberkualitasrendahbaikbahanbakar padat,
cairmaupun gas.
2. Kapasitas besar, seperti : pusat pembangkit tenaga listrik, pusat
pembangkittenagauap,dalam haliniuntukpenggerak turbindan proses
produksi.
3. Padaumumnyatidakterdapatbagianyangbergeraktranslasibolak- balik
sehingga getaran yang terjadi kecil.
2. Mesin Pembakaran Dalam(InternalCombustionEngine)
Mesin pembakaran dalam adalah mesin dimana proses pembakaran
berlangsung di dalam mesin itu sendiri, sehingga gas pembakaran yang
terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja.
Contohnya :
a. Motorbakar torak :mesinbensin denganpenyalaanloncatan bungaapi,
mesindieseldenganpenyalaankompresi,mesin wankeldengangerak torak
berputar (rotary).
Kelebihannya:
1. Mesin lebih sederhana, kompak, ringan
2. Bahan bakarlebihirit.
4. Lebih efisien
5. Investasi awal lebih kecil.
6. Cocok untuk tenaga penggerak padakendaraan.
2.3.1. Mesin Otto
Mesin ottoadalah sebuah ti
menggunakan nyala busi untuk proses pembakaran, dirancang untuk
menggunakan bahan bakar gasoline atau yang sejenis. Mesin otto dilengkapi
dengan busi dan karburator. Busi berfungsi sebagai penghasil loncatan api
yang akan menyalakan campuran udara dengan bahan bakar, karena hal ini
maka mesin otto disebut juga sebagai Spark Ignition Engine. Sedangkan
karburator merupakan tempat pencampuran udara dan bahan bakar.
Mesin ottoberbeda
bahanbakar denganudara,danmesinotto selalumenggunakanpenyalaanbusi
untukprosespembakaran.Padamesindiesel, hanyaudara yangdikompresikan
dalam ruangbakardandengansendirinyaudaratersebutterpanaskan,bahanbakar
diinjeksikan kedalam ruangbakardiakhirlangkahkompresiuntukbercampur
denganudarayangsangatpanas,padasaatkombinasiantara jumlahudara,jumlah
bahanbakar,dantemperaturdalam kondisitepatmakacampuranudaradanbakar
tersebutakanterbakardengansendirinya.Siklus otto(ideal) pembakarantersebut
Gambar 2.2 DiagramP-vsiklus ottoaktual dan ideal
KeteranganGambar:
P = Tekanan(atm)
V = VolumeSpesifik (m3/kg)
q
in= Kaloryang masuk(kJ)q
out= Kaloryang dibuang (kJ)Gambar 2.3 DiagramT-Ssiklus otto
KeteranganGambar:
T = Temperatur (K)
S = Entropi(kJ/kg.K)
q
in= Kaloryang masuk(kJ)q
out= Kaloryang dibuang (kJ)Keterangansiklus:
1-2 Kompresi Isentropik
2-3 Pemasukan Kalor pada VolumeKonstan
3-4 Ekspansi Isentropik
Padamesinotto,padaumumnyaudaradanbahanbakardicampursebelum
masukkeruangbakar,sebagiankecilmesinottomodernmengaplikasikaninjeksibahanb
akarlangsungkesilinderruangbakartermasukmesinotto2langkah
untukmendapatkanemisigasbuang yangramahlingkungan. Pencampuranudara
danbahan bakardilakukanoleh karburatoratausisteminjeksi, keduanya
mengalamiperkembangandarisistem manualsampaidenganpenambahansensor-
sensorelektronik.SistemInjeksiBahanbakardimesinottoterjadidiluarsilinder,
tujuannyauntukmencampurudara denganbahanbakarseproporsional mungkin, hal
ini disebutEFI.
(A) (B)
Gambar 2.4 Sistem pencampuran udara + bahan bakar dengan karburator (A) dan
sistem injeksi (B)
2.3.1.1. Mesin otto4 Langkah
Mesinotto empatlangkahadalahmesinpembakarandalam yangdalam
satusiklus pembakaranterjadiempatlangkahpiston.Empatlangkahtersebut
meliputi,langkahhisap (pemasukan),kompresi,tenaga danlangkah buangyang
secarakeseluruhanmemerlukanduaputaranporosengkol(crankshaft) persatu
Gambar 2.5 Mesin otto4 langkah
Prinsip kerja motor ottoempat langkah adalahsebagai berikut :
1. Langkah Hisap
Dalamlangkahini,campuranbahanbakardanudaradihisapkedalamruangbakar
, Katuphisapmembukasedangkankatupbuangtertutup.Waktutorak
bergerakdarititikmati atas (TMA)ke titikmatibawah(TMB),menyebabkan
ruangsilindermenjadivakum danmenyebabkanmasuknyacampuranudaradan bahan
bakarke dalamsilinder yang disebabkan adanya tekanan udara luar.
Gambar 2.6 Langkah hisap mesin otto 4 langkah
2. Langkah Kompresi
Dalam langkah ini, campuran udara dan bahan bakar dikompresikan.
Katuphisap dankatupbuangtertutup.Waktutoraknaikdarititikmatibawah
(TMB)ketitikmatiatas(TMA), campuranyangdihisap tadidikompresikan.
Saatinilah percikanapi daribusiterjadi.Poros engkol berputarsatukaliketika torak
mencapai titk matiatas (TMA).
Gambar 2.7 Langkah kompresi mesin otto 4 langkah
3. Langkah Usaha
Dalamlangkahini,mesinmenghasilkantenagadimanageraktranslasi
pistondiubahmenjadigerak rotasioleh porosengkol danselanjutnyaakan
menggerakkankendaraan.Saattorakmencapaititikmatiatas(TMA) padasaat langkah
kompresi, busi memberikan loncatan bunga api pada campuran udara dan
bahanbakaryang telahdikompresikan.Denganadanyapembakaran,kekuatan
daritekanangaspembakaranyang tinggimendorongtorakkebawah.Usahaini yang
menjadi tenaga mesin.
Gambar 2.8 Langkah usaha mesin otto 4 langkah
4. Langkah Buang
Dalamlangkahini,gasyangsudahterbakar,akandibuangkeluarsilinder.
Katup buang membukasedangkan katup hisap tertutup.Waktu torak bergerak dari
titikmatibawah(TMB)ketitikmatiatas(TMA),mendoronggasbekaskeluar
(campuranudaradanbahanbakar barumendoronggassisahasilpembakaran). Ketika
torak mencapaiTMA, akan mulaibergerak lagiuntuk persiapan langkah berikutnya,
yaitu langkahhisap.Porosengkoltelahmelakukan2putaranpenuh dalam satu siklus
yang terdiri dari empat langkah yaitu, 1 langkah hisap, 1
langkahkompresi,1langkahusaha,1langkah buangyangmerupakandasarkerja dari
pada mesin empat langkah.
Gambar 2.9 Langkah buang mesin otto 4 langkah
ProsesKerjaadalahkeseluruhanlangkahyangberurutanuntukterjadinya
satusikluskerjadarimotor.Proseskerjainiterjadiberurutandanberulang-ulang,
pistonmotorbergerak bolakbalik dari titik matiatas (TMA) ketitikmatibawah
(TMB) dan dari titik mati bawah (TMB) ke titikmati atas (TMA) pada langkah
selanjutnya.
Padamotorempatlangkah,proseskerjamotordiselesaikandalam empat
langkah piston.
∼ Langkah pertama yaitu piston bergerak dari TMA ke TMB, disebut langkah pengisian.
∼ LangkahkeduayaitupistonbergerakdariTMBkeTMAdisebutlangkah kompresi.
∼ LangkahketigapistonbergerakdariTMAkeTMBdisebutlangkahusaha. Pada langkah usaha ini terjadilah proses pembakaran bahan bakar
(campuranudaradanbahanbakar)didalam silindermotor/ruang pembakaran
yang menghasilkan tenaga yang mendorong piston dari TMA ke TMB. ∼ Langkah keempat yaitu piston bergerak dari TMB ke TMA disebut
langkah pembuangan.Gas hasil pembakarandidorong oleh piston keluar
menghasilkansatulangkahusaha(yangmenghasilkan tenaga)diperlukan
empat langkah piston.
Empatlangkahpistonberartisamadenganduakaliputaran porosengkol.
Padamotor dua langkah proses kerja motornya untukmendapatkan satu kali
langkahusahahanya diperlukan dua kalilangkah piston. Motordua langkah yang
palingsederhana,pintu masukataulubangmasukdanlubangbuangterlelangkah
berhadap-hadapan yaituberada padasisi bawah pada dindingsilinder motor.
Proses kerjanya adalah sebagai berikut.:
∼ PistonberadaTMB,kedualubang(masukdanbuang)samasamaterbuka
kemudiancampuranudaradanbahanbakardimasukkankedalam silinder
melalui lubangmasuk.
∼ GerakanpistondariTMBkeTMA,makalubangmasukakantertutupdan
tertutuppulalubangbuang,makaterjadilah langkahkompresi.Padaakhir
langkahkompresiini terjadilahpembakarangasbahanbakar.Dengan
terjadinya pembakarangasbahanbakarmakadihasilkantenaga pembakaran
yang mendorong pistonke bawah dari TMA keTMB.
∼ Langkahusahaterakhirterjadilahpembuangangasbekasbegituterbuka
lubangbuang.Sesudahituterbuka pulalubangmasuksehinggaterjadi
pemasukkangasbarusekaligusmendorongmendoronggas bekaskeluar
melalui lubang buang.
Dengandemikianpadamotordualangkah prosesmotoruntuk
menghasilkansatukalilangkahusaha/pembakarangasdalam silinder,hanya
diperlukan dualangkah piston. Dilihatdariputaranporosengkolnyadiperlukan satu
kali putaran poros engkol.
2.3. Dinamometer
Dewasa ini dinamometer digunakan pengukuran pada seluruh
perkembangan dari mesin, mulai dari percobaan dan pengetesan motor bersilinder
tunggal sampai motor pesawat terbang. Tetapi dalam hal ini jika mesin dalam
keadaan tetap atau diam maka pengukuran dayannya sederhana dan mudah dibuat,
Ukuran atau besaran untuk kerja suatu motor biasanya dalam bentuk torsi dan
tenaga kuda.
Torsi adalah gaya putar yang dihasilkan oleh poros engkol atau
kemampuan motor untuk melakukan kerja, tetapi disini torsi merupakan jumlah
gaya putar yang diberikan ke suatu mesin atau motor bakar terhadap panjang
lengannya. Torsi biasanya diberi simbol
τ
, satuan untuk torsi dalam satuan SIadalah Nm.
Untuk pengujian torsi digunakan rope brake dynamometer atau
dinamometer rem tali. Cara kerja rope brake dynamometer hampir sama dengan
prony brake dynamometer hanya rem ini terdiri dari tali di sekeliling roda atau
puli. Bahan tali ini biasanya kulit, ujung tali yang satu dikaitkan pada spring
balance dan ujung yang satu lagi dikaitkan pada beban. Seperti terlihat pada
gambar di bawah ini penyerapan daya dilakukan oleh tali karena gesekan dengan
roda atau puli.
Gambar 2.10Rope brake dynamometer
τ
= (W-S)r N.m Dimana :τ
= Torsi (N.m)W = Beban pengereman (kg)
r = Jari-jari puli (m)
2.4. Performansi Motor Bakar
Bagianini membahastentangperformansimesinpembakarandalam. Parameter
mekanik yang termasuk dalam subbab ini adalah torsi, daya,
perbandinganudarabahanbakar,konsumsibahanbakarspesifikdaneffisiensi dari
pembakaran di dalam mesin.
2.4.1. Torsidan Daya
Torsi yang dihasilkan suatu mesin dapat diukur dengan menggunakan
dinamometer yang dikopel dengan poros output mesin. Oleh karena sifat
dinamometeryangbertindakseolah-olahsepertisebuahrem dalam sebuahmesin,
maka dayayang dihasilkan poros output ini sering juga disebut dengan brake
power.Torsididefinisikansebagaigayayang bekerjapadajarakmomendan memiliki
satuan N-matau lbf-ft.Torsi merupakan gaya yang ditimbulkan oleh gaya piston
turun dikalikan jarak dari tengah crank pin ke titik tengah crankshaft. Torsi untuk
mesin tertentu ditentukan oleh gaya piston menekan connectingrod yang disebut
combustion force.Gaya ini akan diteruskan ke roda, gaya impulsif dari sebuah
kendaraan akan kecil jika torsi mesin kecil, gaya impulsif dari kendaraan akan
tinggi jika torsi mesin tinggi.
Daya didefinisikan sebagai usaha dari mesin persatuan waktu. Daya mesin akan
meningkat secara proporsional terhadap rpm karena jumlah kerja dalam tiap
waktu meningkat ketika rpm mesin tinggi. Bagaimana pun juga saa trpm mesin
meningkat, komponen dinamis tidak dapat berjalan melewati nilai tertentu, atau
mesin tidak dapat memasukkan atau mengeluarkan lebih cepat dari nilai limit,
ataudaya mesin yang dipakai untuk mengendalikan mesin itu sendiri terbuang
dengan percuma jika rpmnya melebihi standarnya.
�̇=2πNτ 60
...(2.1)
Dimana :
τ
=Torsi (Nm)Gambar 2.11 Daya dan torsi sebagai fungsi putaran
Baiktorsi dandaya adalahfungsi dari putaranmesin.Padaputaranrendah,
torsimeningkat denganmeningkatnyaputaranmesin.Putaranmesinmeningkat
lebihlanjut,torsimencapaimaksimum dankemudianmenurunsepertiyang
ditunjukkan padagambardiatas. Torsimenurunkarenamesin tidakdapat udara
yangoptimalpada kecepatanyang lebihtinggi.Ditunjukkandayameningkat
seiringputaranmeningkat kemudianmenjadimaksimal dankemudianmenurun
padaputaranmesinyanglebihtinggi.Halini dikarenakankerugian gesekan
meningkatdanmenjadifaktordominanpadakecepatan yangsangattinggi.Untuk mobil
bensin, daya maksimum terjadi pada kisaran 6000 hingga 7000 RPM, sekitar
satusetengah kali torsi maksimum.
2.4.2. KonsumsiBahan Bakar Spesifik (SFC)
dengan hal ini maka dapat dihitung jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk
menghasilkan sejumlah daya dalam selang waktu tertentu.
Secara umum konsumsi bahan bakar spesifik didefinisikan dengan :
sfc =
ṁfẆ ... (2.7)
Dimana:
sfc=Konsumsi bahan bakar spesifik / Specific Fuel Consumption(gr/kWh)
ṁf =Laju aliranbahan bakarke mesin (kg/sec)
Ẇ= Daya poros(kW)
2.4.3. Efisiensi Mesin
Waktuyangdiperlukanuntukprosespembakaransuatu siklus mesin sangatlah
singkatdan pada umumnya tidak semua bahan bakarhabis terbakaroleh oksigen
atau bahkan temperatur sekitar tidak mendukung reaksi kimia yang
terjadi,fenomenainiterjadikarena mesinbekerjadi lingkunganyangberbeda-
bedadanvariasiputaranyangnilainyasangatberubah-ubahsesuaiakselerasi
yangdibutuhkan.Kemungkinanterburuksebahagiankecil molekulbahanbakar tidak
bereaksi dan terbawa ke aliran pembuangan (exhaust). Effisiensi
pembakaranηcmenerangkanseberapabanyakbahanbakaryangbereaksidan terbakar.
ηcmemilikinilaiyangberkisardari0.95sampai0.98ketikamesin
bekerja.Untuksatusiklusmesinpadasatusilinder,panasyangditambahkan adalah:
Qin = mfQHVηc ... (2.8)
Untuk keadaan steady:
Q̇in = ṁfQHVηc ... (2.9)
Effisiensi termalnya adalah :
ηt = W/Qin = Ẇ /Q̇in =ηf/ηc ... (2.10)
Dimana:
mf=massa bahan bakar (kg/siklus)
ṁf=Laju aliranbahan bakarke ruang bakar (kg/sec)
QHV=Nilai kalordari bahan bakar (Kj/kg)
ηc = Effisiensi pembakaran (0,95 - 0,98)
BABIII
METODOLOGIPENELITIAN
3.1. WaktudanTempat
PengujianperformansimesindilakukandiDepartemen Teknik Mesin Fakultas
Teknik UniversitasSumatera Utara selama 3 hari
3.2. Bahan Pengujian
Adapun bahan pengujian yang digunakan adalah :
a. Premium
Premiummerupakannamabahanbakarbensinyangpalingumum digunakan di
Indonesia,spesifikasi umumnya sebagai berikut:
∼ Warna kuning ∼ RON 88
∼ Kandungan timbal (0,013 gr/l- 0,3 gr/l)
∼ Berat jenis pada suhu 15oC(715 kg/m3-780kg/m3) ∼ Nilai kalor (44400 kJ/kg)
b. LPG
c. Biogas
Biogas adalah gas yang dihasilkan dari proses penguraian bahan-bahan
organik oleh mikroorganisme pada kondisi langka oksigen (anaerob).
Komponen biogas: ± 60 % CH4 (metana), ± 38 % CO2 (karbondioksida),
± 2 % N2, O2, H2, dan H2S. Biogas dapat dibakar seperti elpiji, dalam
skala besar biogas dapat digunakan sebagai pembangkit energi listrik,
sehingga dapat dijadikan sumber energi alternatif yang ramah lingkungan
3.3. Alat pengujian
Adapun alatpengujian yang digunakan adalah:
1. Mesin Pemotong Rumput Tagawa TGX 437
Menggunakan mesin yang di adopsi dari mesin pabrikan Tagawa yaitu
mesin dari mesin pemotong rumput Tagawa.
Gambar 3.1 Mesin Pemotong Rumput Tagawa TGX 437
Spesifikasimesin sebagai berikut:
Tipe mesin : 4 langkah ,OHC
Diameter x langkah : 53,5 mmx 48,8mm
Volume langkah : 37,7 cc
Perbandingan Kompresi : 9,6 : 1
Daya Maksimum : 1,0 kw/6500 rpm
Torsi Maksimum : 0,81 kg.m/5.500 rpm
Kapasitas Minyak Pelumas Mesin : 0,8 lt pada pergantian periodik
Sistem Starter : Pedal danElektrik
Busi : NGKC6HS ; ND U20 FS-U
SistemPengapian : Transistor Magneto
Berat Mesin : 3.8 Kg
2. Tachometer
Digunakan untuk mengukur putaran mesin
Gambar 3.2 Tachometer
Alatukuryangdigunakanadalahportabledigitaltachometer
dengan spesifikasi sebagai berikut: ∼ Display : 5 digit LCD
∼ Batasukur 0-9999 rpmdengan ketelitian ± (0,05% rdg + 1 digtal) ∼ Available 50-500 mm
∼ Suhu operasi : 0 oc-50 oc
3. Timbangan
a. Digunakan untuk mengukur berat pembebananpada dinamometer
Gambar 3.3 Timbangandigital Xinexten
TimbanganXinexten digitaldengan spesifikasi: ∼ Kapasitas maksimum40 kg
∼ Ketelitian±1gr ∼ Auto zero
∼ Daya 2 x 1.5 V baterai alkaline
b. Digunakan untuk mengukur berat bahan bakar
Gambar 3.4 TimbanganDigital Ion
TimbanganIon digitaldengan spesifikasi: ∼ Super presisi dengan sensor tekanan ∼ Kapasitas maksimum5kg
∼ Auto zero
∼ Daya 4 x 1,5 V baterai alkaline
4. Tools
Digunakanuntukmelakukanpemasangandanpembongkarankarburator
selama pengujian.
Gambar 3.5 Toolbox
Adapun beberapa alat-alat yang digunakan selama pengujian
diantaranyaadalah sebagai berikut: ∼ Obeng(±)
∼ Tang jepit, tang potongdan tang buaya ∼ Kuncipas dan kunci ring
3.4. Prosedur Pengujian
Prosedur pengujian yang dilakukanadalah sebagai berikut:
1. Persiapan bahan bakar yang akan digunakan untuk pengujian yakni premium.
2. Menyediakan air pendingin untuk pengujian.
3. Pengecekan alat ukur seperti timbangan digital,tachometer,stopwatch
berfungsi dengan baik.
4. Pengecekan suplai bahan bakar, level oli pada mesin,level bahan bakar dan
kondisi mesin berfungsi dengan baik.
5. Pemeriksaan kondisi alat uji rope brake dinamometer berfungsi dengan baik.
6. Setting karburator sesuai dengan bahan bakar yang dipergunakan yakni
pertamax plus dan biogas.
8. Hidupkan mesin dengan menarik starter yang terdapat pada mesin untuk
memanaskan mesin ± 2 menit,pastikan mesin dinyalakan tanpa pembebanan.
9. Setting putaran yang diinginkan dengan cara menarik tali gas dan lakukan
pengukuran rpm dengan tachometer.
10. Setting pembebanan yang telah ditetapkan yakni 0,2 kg pada timbangan
gantung digital, dan catat perubahan pembebanan pada kedua timbangan
gantung digital pada form isian ( pastikan air pendingin mengalir untuk
mendinginkan puli )
11. Lakukan pencatatan waktu yang terbaca pada stopwatch untuk menghabiskan
bahan bakar ± 10 ml
12. Ulangi langkah 8 s/d 11 untuk variasi putaran dan beban yang berbeda
13. Untuk pengujian dengan bahan bakar biogas ulangi seluruh langkah-langkah
yang sama.
14. Lakukan pengujian mesin potong
rumputdenganvariasibahanbakar,bebandanputaran mesin untuk mendapatkan
datadi bawah ini.
15. Semua datadicatat dan dianalisa
16. Selesai
Tabel 3.1 Format Pengujian Mesin Dengan Bahan Bakar Premium, Variasi
Beban Dan Putaran Mesin
Tabel 3.2 Format pengujian mesin dengan bahan bakar campuran biogas
dengan LPG, variasi beban dan putaran mesin
NO W (kg) S (kg) D (m) N (rpm) v (ml) t(s) 1
0,6
0,045 0,2 4000 10 1'28"
2 0,09 0,2 5000 10 1'24"
3 0,05 0,2 6000 10 1'19"
4 0,053 0,2 7000 10 1'12"
5 0,055 0,2 8000 10 1'10"
6
0,2
0,012 0,2 4000 10 1'50"
7 0,013 0,2 5000 10 1'27"
8 0,024 0,2 6000 10 1'22"
9 0,028 0,2 7000 10 1'19"
10 0,05 0,2 8000 10 1'14"
3.5. BaganAlir Pengerjaan
Adapunprosedurdari pengerjaandanpengujian yangdilakukandalam
skripsiinidapatdilihatpadabagan alirberikutinidapatdilihatpadabagan alir berikut
Gambar 3.6 Bagan alirprosedur pengerjaan Survey lapangan & Studi
literatur Mulai
Pengadaan alat dan Bahan bakar
Pemasangan alat
PengujianMesi
n Variasi Bahan bakar
BABIV
HASILDANPEMBAHASAN
4.1. Pengujian Performansi
Datayangdiperolehdaripengujian performansiinimeliputi putaran,
danemisigasbuangkendaraanyang
dilakukansecaralangsungdenganmenggunakanvariasibahanbakarpremium dan
campuran biogas dengan LPG.
4.1.1. Torsi
Dari data yang diperoleh setelah dilakukannya pengujian, maka torsi
mesin dapat dihitung dengan rumus berikut ini :
τ
= (W-S)r N.m Dimana :τ
= Torsi (N.m)W = Beban pengereman (kg)
S = Beban pengimbang (kg)
r = Jari-jari puli (m)
Tabel 4.1 Hasil perhitungan torsi terhadap putaran dan variasi beban serta
variasi bahan bakar premium dengan campuran biogas dengan LPG
9 7000 0,1740
Gambar 4.1 Grafik Torsivs putaranmesin
Besar kecilnya torsi dipengaruhi oleh putaran dan beban mesin. Semakin
beratbeban pengemudiyangdiberikanmakasemakinbesarpulatorsiyang dibutuhkan
untukmencapaikecepatanyanglebihtinggi.Adabeberapacarauntuk
meningkatkannilaitorsidarisebuahmesinyaitudengan memperbesarlangkah
pistonatau denganmemperbesarvolumeruangbakar,namunhaliniakansangat
mempengaruhi effisiensi bahan bakar, konstruksi mesin tersebut. 0,5200
4000 5000 6000 7000 8000
T
Grafik Torsi vs Putaran
Biogas + LPG
4.1.2. Daya
Besarnya daya dari masing-masing pengujian pada tiap variasi beban dan
putaran mesin serta variasi bahan bakar premium dengan campuran biogas dengan
LPG maka dapat dihitung dengan rumus berikut ini :
�̇=2πNτ 60
Dimana :
Ẇ=Dayaporos(kW)
N=Putaran mesin (rpm)
τ
=Torsi (Nm)N=Putaran mesin (rpm)
Berikut data hasilperhitungandayapadamesinottodengan variasibahan
bakar pertamax plus dan biogas.
Tabel 4.2 Hasil perhitungan daya terhadap putaran dengan variasi
bahanbakar premiumdan campuran biogas dengan LPG
6
Gambar 4.2 Grafik dayavs putaranmesin
Darihasilperhitungan dangrafikdiatasdapatdilihatbesarnyadayauntuk
masing-masingperhitungan,untukbahanbakarpremium dayaterendahterjadi
padapembebananpengereman0,2kg(4000rpm)yaitusebesar0,080kW sedangkan
dayatertinggiterjadipadapembebanan0,6kg (7000rpm)yaitu sebesar 0,420 kW.
Untuk campuran biogas dengan LPG dayaterendah
terjadipadapembebananpengereman0,2kg (2133rpm)yaitusebesar0,079kW
sedangkandayatertinggiterjadipada pembebanan0,6 kg (7000 rpm) yaitu sebesar
0,130kW.
Besarkecildayamesinbergantungpadabesarkeciltorsiyangdidapat.
Dayayangdihasilkanmesindipengaruhioleh putaranporosengkolyangterjadi akibat
doronganpiston yangdihasilkankarena adanyapembakaranbahanbakar dengan
udara. Jika konsumsi bahan bakar dan udara diperbesar maka akan semakin
besar daya yangakan dihasilkan mesin. 0,000
4000 5000 6000 7000 8000
D
Grafik Daya vs Putaran
Premium
4.1.3. Konsumsi bahan bakar Spesifik (SFC)
Konsumsi bahan bakar spesifik (SFC) dari masing-masing pengujian
pada tiap variasi beban dan putaran dapat dihitung dengan rumus berikut ini :
sfc =
ṁfẆ
Dimana:
sfc=Konsumsi bahan bakar spesifik / Specific Fuel Consumption(gr/kWh)
ṁf =Laju aliranbahan bakarke mesin (kg/sec)
Ẇ= Daya poros(kW)
Besarnya laju aliran massa bahan bakar (ṁf ) dapat dihitung dengan rumus
berikut ini :
m
̇
f=
sgf.vf.10−3tf
Dimana :
sgf = Spesific gravity bahan bakar
vf = Volume bahan bakar yang digunakan yaitu 10 ml
tf = Waktu yang dibutuhkan untuk menghabiskan bahan bakar uji (detik)
Berikutdatahasilperhitungankonsumsibahanbakarspesifik(SFC)pada mesin
Tabel 4.3 Hasil perhitungan SFC terhadap putaran dengan variasi
bahanbakar premiumdan campuran biogas dengan LPG
Gambar 4.3Grafik SFCvs putaranmesin
Darihasilperhitungandangrafik diatasdapatdilihatbesarnyaSpecific Fuel
Consumption(SFC)untukmasing-masingperhitungan, untukbahanbakar premium
SFCterendahterjadipadapembebananpengereman0,2kg(4000 rpm)
yaitusebesar3,13495 gr/kWhsedangkanSFCtertinggiterjadipadapembebanan
0,6kg
Konsumsibahanbakarspesifikdipengaruhiolehputaran mesin,semakin tinggi
putaranmesinmesinmakakonsumsibahanbakarspesifikjugaakan
meningkatatausebaliknya.Halinidisebabkan olehlajualiranbahanbakaryang akan
semakin besar padaputaran mesin tinggi. 0,5200
4000 5000 6000 7000 8000
T
Grafik Torsi vs Putaran
Biogas + LPG
BABV
KESIMPULANDANSARAN
5.1. Kesimpulan
Adapun kesimpulan yang dihasilkandaripengujian ini adalah:
1. Padamesinottoberbahanbakarpremiumdancampuran biogas dengan LPG
torsidan daya mengalami penurunan sebesar 17,19% dan 18,62% ketika
menggunakanbahanbakar campuran biogas dengan LPG pada
putaranmesin rendah,
sedangkantorsidandayaakanmengalamipeningkatansebesar4,65%dan 4,9%
ketika menggunakan bahan bakar pertamaxplus pada putaran mesin tinggi.
2. Konsumsibahanbakarspesifik(SFC)untukbahanbakarpremiumdan
campuran biogas dengan LPGmengalamipenurunan 19,54%ketika
menggunakan bakar premium
padaputaranmesinrendah,sedangkanSFCakanmengalami peningkatan
sebesar15,94%ketika menggunakanbahanbakarcampuran biogas dengan
5.2. Saran
Adapun saran yang diberikan adalahsebagai berikut :
1. Untukpengujianselanjutnya,nilaikalorbahanbakarperludiujiuntuk hasil
yang lebih baik danakurat.
2. Padapengujianselanjutnya,alatukurtorsisebaiknyamenggunakanyang
dapatdiinstalasilangsungdengankendaraanujiuntukmendapatdata yanglebih
akurat.
3. Harapannya pengujian ini dapat dilanjutkan dan didalami untuk
mendapatkan performansi terbaik dari mesin
4. Agar terus dilanjutkan penelitian berikutnya untuk mendapatkan bahan
bakar alternatif yakni biogas
5. Agar dilakukan kerja sama dan sinergi lintas fakultas untuk menghasilkan
penelitian yang lebih baik lagi dalam mendapatkan energi alternatif
DAFTAR PUSTAKA
Arismunandar, Wiranto. 1988. Penggerak Mula Motor Bakar Torak.
Penerbit ITB Bandung.
Heywood. John B. 1998. Internal Combustion Engines Fundamental. New
York.
Holman, J.P. 1984. Experimental Methods for Engineers. McGraw-Hill
Book,Inc.
Pulkrabek, Willard W. 1997. Engineering Fundamental of the Internal
Combustion Engine. New Jersey.Prentice Hall.
Shigley, dkk (Terjemahan Gandhi Harahap ). (1991). Perencanaan Teknik
Mesin,Jilid 2. Jakarta : Erlangga.
Y. A. Cengel and M.A. Boles, Thermodynamics An Engineering
Approach,5th ed, Mc Graw-hill,2006.
http://en.wikisource.org/wiki/1911_Encyclop_Britannica/Dynamometer https://www.google.co.id/2014/9/rasio+bahan+organik
https://www.google.co.id/ Sistem+pencampuran+udara.
