UJI EKSPERIMENTAL PERBANDINGAN PERFORMANSI MESIN OTTO
MENGGUNAKAN ALAT CATALYTIC CONVERTER DENGAN BAHAN BAKAR
PERTALITE DAN VARIASI CAMPURAN PERTALITE-SERBUK KAPUR BARUS
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
RINALDI SIMANJUNTAK
110401018
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
ABSTRAK
Populasi manusia yang semakin bertambah di bumi dan semakin menipisnya sumber daya minyak menjadi sekian banyak hal yang mendorong kita untuk melakukan penelitian dan pengembangan terhadap sumber energi terbarukan, salah satunya yang memiliki potensi adalah penggunaan zat aditif (kapur barus) terhadap bahan bakar pertalite murni yang digunakan sebagai campuran bahan bakar motor bakar. Penambahan kapur barus terhadap bahan bakar pertalite dapat memaksimalkan angka oktan bahan bakar pertalite sehingga nilai kalor bahan bakar pertalite semakin tinggi. Penelitian ini dilakukan secara uji eksperimental terhadap unjuk kerja motor otto 4 langkah 1 silinder dengan rasio kompresi 9 : 1 dengan penambahan alat katalitik konverter. Bahan bakar yang digunakan adalah pertalite murni dan dibandingkan dengan menggunakan bahan bakar variasi campuran pertalite-kapur barus. Variasi dari bahan bakar campuran adalah 1 gr, 1,5 gr dan 2 gr kapur barus pada 1 liter pertalite. Selain itu, penelitian ini juga menganalisa emisi gas buang dari hasil pembakaran dengan bahan bakar pertalite murni dan bahan bakar variasi campuran pertalite-kapur barus yang menggunakan alat katalitik konverter. Hasil dari uji eksperimental yang menggunakan alat katalitik konverter dengan bahan bakar campuran pertalite-kapur barus memiliki performansi mesin yang lebih baik dibandingkan dengan bahan bakar pertalite murni. Dengan penambahan alat katalitik konverter dan kapur barus pada pertalite torsi meningkat 10,85 %, daya meningkat 7,17 %, konsumsi bahan bakar spesifik menurun 15,03 %, rasio udara bahan bakar meningkat 17,74 %, dan efisiensi termal menurun 14,08 %. Untuk emisi gas buang didapatkan hasil karbon monoksida meningkat 92,88 %, karbon dioksida meningkat 28 %. Hidrokarbon meningkat derastis sebesar 163,82 %, dan oksigen menurun 15,40 %.
ABSTRACT
The human population is growing in the earth and the depletion of oil resources into so many things that encourage us to do the research and development of renewable energy sources, one of which has the potential for the use of additives (camphor) on fuel pertalite pure used as a motor fuel mixture. The addition of camphor to fuel pertalite can maximize fuel octane number pertalite so calorific value of fuel pertalite higher. this research was carried out experimental tests on the performance of the motor cylinder otto 4 step 1 with a compression ratio of 9: 1 with the addition of the catalytic converter tool. The fuel used is pure pertalite and compared using the fuel mixture variations pertalite-camphor. Variations of the fuel mixture is 1 g, 1.5 g and 2 g camphor at 1 liter pertalite. Besides that, This study also analyzes the exhaust gas emision from combustion with pure pertalite fuel and fuel mixture variations pertalite-camphor using the catalytic converter tool. The result of the experimental test using the catalytic converter tool with the fuel mixture pertalite-camphor have a better engine performance compared to pure pertalite fuel. With the addition of the catalytic converter tool and camphor on pertalite torque increased 10.85%, power increase 7.17%, specific fuel consumption decreased 15.03%, fuel air ratio increased by 17.74%, and the thermal efficiency decreases 14 08%. For the exhaust gas emissions of carbon monoxide showed increased 92.88%, an increase of 28% carbon dioxide. Hydrocarbons increased dramatically by 163.82%, and oxygen decreased 15.40%.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas segala karunia,
kesehatan dan rahmat-Nya yang senantiasa diberikan kepada penulis, sehingga
penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana
Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera
Utara. Adapun judul skripsi ini adalah “Uji Eksperimental Perbandingan
Performansi Mesin Otto dengan Bahan Bakar Pertalite dan Variasi Campuran
Pertalite-Kapur Barus”.
Selama penulisan skripsi ini penulis banyak mendapat bimbingan dan
bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis
menyampaikan banyak terima kasih kepada:
1. Kedua orang tua tercinta, Ayahanda Junaidi Simanjuntak dan Ibunda Nurliana
Sitorus (Alm) yang telah memberikan segala dukungan tak terhingga baik
dukungan moril dan materil.
2. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc, selaku dosen pembimbing yang telah banyak
meluangkan waktunya membimbing penulis hingga skripsi ini dapat
terselesaikan.
3. Bapak Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku dosen Ketua Jurusan Departemen
Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
4. Abang-abang senior 2009, 2010, yang telah banyak membagikan ilmunya
kepada penulis.
5. Seluruh Staf Pengajar Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas
Sumatera Utara yang telah memberikan pengetahuan kepada penulis hingga
akhir studi dan seluruh Staf Pegawai Departemen Teknik Mesin.
6. Adik-adikku tercinta Selvia Simanjuntak, Hastia Simanjuntak, Haryadi
Simanjuntak, dan Aulia Simanjuntak yang terus mendukung dan memberikan
motivasi dan doa hingga skripsi ini selesai.
7. Undeku Erniyusnita Simanjuntak beserta suami Wahdi Yusril Margolang yang
henti-hentinya dan keluarga besar yang terus memberikan semangat kepada
penulis.
8. Sahabat-sahabat terbaikku Fahmi Anshari, Ilham Aulia, Rizki Nuddin Nst, Kin
Tawarmiko, Muhammad Fajar Kesuma, Irma Rachmayani Chaniago, Fachruni
Adlia Z, dan abangda yang sangat saya hormati Reyhan Risyad Siregar, Umri
Nahdi Siregar, Wahid Habib Sialoho serta seluruh teman-teman mahasiswa
Teknik Mesin USU khususnya untuk stambuk 2011, yang telah banyak
memberikan dukungan dan sharing dalam penyelesaian skripsi ini.
9. Adik-adik mahasiswa stambuk 2013 terkhusus kepada Rima Melati Tanjung,
Kurniawan Efendi, dan M. Reza Wahyudi yang telah banyak memberikan doa
dan semangat kepada penulis.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini belum sempurna, baik dari segi teknik
maupun dari segi materi. Oleh sebab itu, demi penyempurnaan skripsi ini kritik
dan saran sangat penulis harapkan.
Akhir kata, penulis berharap agar laporan ini bermanfaat bagi pembaca
pada umumnya dan penulis sendiri pada khususnya.
Medan, 23 Agustus 2016
Penulis,
Rinaldi Simanjuntak
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ...i
ABSTRAK ...iii
DAFTAR ISI ...v
DAFTAR GAMBAR ...viii
DAFTAR TABEL...x
DAFTAR NOTASI ...xii
BAB 1 PENDAHULUAN ...1
1.1 Latar Belakang ...1
1.2 Tujuan Penelitian ...3
1.3Manfaat Penelitian ...3
1.4 Ruang Lingkup Pengujian...3
1.5Metodologi Penulisan ...4
1.6Sistematika Penulisan ...5
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ...6
2.1Dasar Motor Bakar ...6
2.2 Minyak Bumi ...7
2.4.1 Jenis-jenis Zat Aditif ...11
2.4.1.1 Manfaat Zat Aditif pada Fungsi Sistem Pembakaran ..12
2.4.1.2 Manfaat Zat Aditif pada Fungsi Bahan Bakar ...12
2.4.2 Zat Aditif Secara Umum ...13
2.5 Kapur Barus ...14
2.5.1 Sejarah Kapur Barus ...14
2.5.2 Sumber Kapur Barus ...15
2.5.3 Kapur Barus untuk Meningkatkan Angka Oktan ...16
2.6 Emisi Gas Buang...16
2.6.1 Sumber ...17
2.6.2 Komposisi Kimia ...18
2.6.3 Bahan Penyusun ...18
2.6.3.1 Partikulat ...18
2.6.3.2 Karbon Monoksida ...19
2.6.3.3 Hidrokarbon ...19
2.6.3.4 Oksigen ...20
2.7 Catalytic Converter ...20
2.7.1 Kontruksi Catalytic Converter ...21
2.7.2 Tipe-tipe Catalytic Converter ...22
2.7.3 Efek pada Lingkungan ...22
2.7.4 Fungsi lain dari Catalytic Converter ...25
2.7.4.2 Sound Cancelation Muffler/Silencer ...26
2.8 Motor Bakar Bensin ...28
2.8.1 Siklus Otto Ideal ...29
2.9 Nilai Kalor Bahan Bakar ...31
2.10 Performansi Motor Bakar Empat Langkah ...32
2.10.1Torsi (Torque) ...33
2.10.2 Daya (Power) ...34
2.10.3 Konsumsi Bahan bakar Spesifik (SFC) ...35
2.10.4 Rasio Udara Bahan Bakar ( Air Fuel ratio) ...36
2.10.5 Efisiensi Termal (Thermal Efficiency) ...37
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN ...38
3.1 Objek Penelitian ...38
3.2 Waktu dan Tempat ...38
3.3 Alat dan Bahan ...41
3.3.1 Alat ...41
3.3.2 Bahan ...47
3.4Metode Pengumpulan Data ...48
3.5 Metode Pengolahan Data ...48
3.6Pengamatan dan Tahap Pengujian ...48
3.7 Prosedur Pengujian Konsumsi Bahan Bakar ...51
3.9 Prosedur Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar ...52
3.10 Prosedur Penelitian AFR dan Emisi Gas Buang ...54
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ...55
4.1 Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar ...55
4.2 Pengujian Performansi Motor Bakar ...58
4.2.1 Torsi ...60
4.2.2 Daya ...63
4.2.3 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC) ...65
4.2.4 Efisiensi Thermal ...68
4.2.5 Rasio Udara Bahan Bakar ...69
4.3 Pengujian Emisi Gas Buang ...72
4.3.1 Kadar Karbon Monoksida (CO) Dalam Gas Buang ...72
4.3.2 Kadar Karbon Dioksida (CO2) Dalam Gas Buang ...73
4.3.3 Kadar Sisa Hidrokarbon (HC) Dalam Gas Buang ...75
4.3.4 Kadar Sisa Oksigen (O2) Dalam Gas Buang ...77
4.4 Hasil Pengujian ...79
4.5 Perbandingan Hasil Pengujian ...81
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ...84
5.1 Kesimpulan ...84
DAFTAR PUSTAKA ...xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Proses Pembakaran Luar dan Dalam ...7
Gambar 2.2 Destilasi Bertingkat ...8
Gambar 2.3 Pohon Kapur ...15
Gambar 2.4 Standar Uji Emisi Nasional Indonesia ...17
Gambar 2.5 Catalytic Converter ...23
Gambar 2.6 Sound Absorptio Muffler ...26
Gambar 2.7 Sound Cancelation Muffler ...27
Gambar 2.8 Kombinasi Absorptio dan Calcelation ...27
Gambar 2.9 Skema Pereduksian Kebisingan ...28
Gambar 2.10 Pembagian Langkah pada Siklus Otto ...29
Gambar 2.11 Diagram P-v dan T-s Siklus Otto Ideal ...30
Gambar 3.1 Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar ...39
Gambar 3.2 Pengujian Konsumsi Bahan Bakar ...39
Gambar 3.3 Pengujian Torsi ...40
Gambar 3.4 Pengujian Emisi Gas Buang ...40
Gambar 3.5 Bom Kalorometer ...41
Gambar 3.6 Sepeda Motor ...41
Gambar 3.7 Tachometre ...42
Gambar 3.8 Tools ...43
Gambar 3.9 Timbangan Digital ...43
Gambar 3.11 Stopwatch ...44
Gambar 3.12 Tali Nilon ...45
Gambar 3.13 Tabung Ukur ...45
Gambar 3.14 Selang Bahan Bakar ...46
Gambar 3.15 Catalytic Converter ...46
Gambar 3.16 Gas Analyzer ...47
Gambar 3.17 Pertalite ...47
Gambar 3.18 Kapur Barus ...48
Gambar 3.19 Diagram Alir Penelitian ...50
Gambar 4.1 Diagram HHV (kKal/Kg) vs Bahan Bakar ...57
Gambar 4.2 Diagram LHV (kKal/Kg) vs Bahan Bakar ...57
Gambar 4.3 Grafik Massa Tarik Timbang Pegas (Kg) vs Putaran Mesin (RPM) ...59
Gambar 4.4 Grafik Waktu Konsumsi 10 ml Bahan Bakar vs Putaran Mesin (RPM) ...60
Gambar 4.5 Grafik Pengujian Torsi (Nm) vs Putaran Mesin (RPM) ...63
Gambar 4.6 Grafik Daya (Watt) vs Putaran Mesin (RPM) ...65
Gambar 4.7 Grafik Sfc (gr/kWh) vs Putaran Mesin (RPM) ...67
Gambar 4.8 Grafik Efisiensi Thermal ɳth,b (%)vs Putaran Mesin (RPM) ...69
Gambar 4.9 Grafik Air Fuel Ratio (AFR) vs Putaran Mesin (RPM) ...71
Gambar 4.10 Grafik Kadar CO (%) vs Putaran Mesin (RPM) ...73
Gambar 4.12 Grafik Kadar HC (ppm) vs Putaran Mesin (RPM) ...77
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Fraksi-fraksi Penyulingan Bertingkat Minyak Bumi... 8
Tabel 2.2 Standar dan Mutu (Spesifikasi) Bahan Bakar Jenis Bensin 90
(Pertalite) ... 10
Tabel 4.1 Data Hasil Massa Bahan Bakar (M) dan Temperatur Air (T)
pada Bom Kalorimeter... 55
Tabel 4.2 Data Hasil Pengujian dan Perhitungan HHV dan LHV ... 56
Tabel 4.3 Nilai Rata-rata Pengujian Massa Tarik Timbangan Pegas dan
Konsumsi 10 ml Bahan Bakar ... 58
Tabel 4.4 Data Hasil untuk Pengujian Torsi (Nm) vs Putaran Mesin
(RPM) ... 62
Tabel 4.5 Data Hasil untuk Pengujian Daya (Watt) vs Putaran Mesin
(RPM) ... 64
Tabel 4.6 Data Massa Jenis Bahan Bakar ... 66
Tabel 4.7 Data Hasil Perhitungan Laju Aliran Bahan Bakar (ṁf) dan
Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (Sfc) ... 66
Tabel 4.8 Data Hasil untuk Pengujian Efisiensi Termal (ɳth,b) vs Putaran
Mesin (RPM) ... 68
Tabel 4.9 Data Hasil Rasio Udara Bahan Bakar (AFR) vs Putaran Mesin
(RPM) ... 70
Tabel 4.10 Hasil Pengujian Kadar Karbon Monoksida (CO) dengan 4 Jenis
Tabel 4.11 Hasil Pengujian Kadar Karbon Dioksida (CO2) dengan 4 Jenis
Bahan Bakar ... 74
Tabel 4.12 Hasil Pengujian Kadar Hidro Karbon (HC) dengan 4 Jenis Bahan Bakar ... 76
Tabel 4.13 Hasil Pengujian Kadar Oksigen (O2) dengan 4 Jenis Bahan Bakar ... 78
Tabel 4.14 Hasil Pengujian Rata-rata Nilai Kalor Bahan Bakar ... 80
Tabel 4.15 Hasil Pengujian Rata-rata Performansi... 80
Tabel 4.16 Hasil Pengujian Rata-rata Emisi Gas Buang ... 81
Tabel 4.17 Hasil Perbandingan Nilai Kalor Bahan Nakar ... 82
Tabel 4.18 Hasil Perbandingan Unjuk Kerja Motor Bakar ... 82
DAFTAR NOTASI
Lambang Keterangan 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 (9,807) m/s2
τ Torsi Nm
Sfc Konsumsi bahan bakar spesifik g/kWh
Laju aliran bahan bakar Kg/jam
Sgz Rasio massa jenis zat -
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
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
ɳth,b Efisiensi termal %
Pi Tekanan udara masuk silinder kPa
Ti Temperatur udara masuk silinder K
Ta Temperatur udara lingkungan K
R Konstanta udara (0,287) Kj/kg.K
Tkp Kenaikan temperatur kawat penyala oC
T1 Temperatur air pendingin sebelum nyala oC
T2 Temperatur air pendingin sesudah nyala oC
