KAJIAN PERFORMANSI MESIN DIESEL STASIONER SATU SILINDER MENGGUNAKAN KATALITIK KONVERTER DENGAN SISTEM DUA
BAHAN BAKAR (DUAL FUEL) SOLAR DAN BIOGAS DENGAN KANDUNGAN 60% METANA
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh :
Bensazar Lumbanraja (100401075)
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N
KAJIAN PERFORMANSI MESIN DIESEL STASIONER
SATU SILINDER MENGGUNAKAN KATALITIK
KONVERTER DENGAN SISTEM DUA BAHAN BAKAR
(DUAL FUEL) SOLAR DAN BIOGAS DENGAN KANDUNGAN
60 % METANA
BENSAZAR LUMBANRAJA
DEPARTEMENTEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK USU M E D A N
TUGAS SARJANA
N A M A : BENSAZAR LUMBANRAJA
N I M : 100401075
MATA PELAJARAN : MOTOR BAKAR
SPESIFIKASI : KAJIAN PERFORMANSI DAN EMISI MESIN
DIESEL STASIONER SATU SILINDER
MENGGUNAKAN KATALITIK KONVERTER
DENGAN SISTEM DUA BAHAN BAKAR
(DUALFUEL) SOLAR DAN BIOGAS DENGAN KANDUNGAN 60% METANA
DIBERIKAN TANGGAL : 6 April 2015 SELESAI TANGGAL : 19 Agustus 2015
Medan, Agustus 2015.
KETUA DEPARTEMEN TEKNIK MESIN, DOSEN PEMBIMBING,
Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri Dr. Eng. Himsar Ambarita ST, MT
NIP. 1964 1224 1992 111001 NIP . 1972 0610 2000 121001
AGENDA : / TS / 2015 DITERIMA TGL : 06-04-2015
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
Sub. Program Studi : Konversi Energi Bidang Tugas : Motor Bakar
Judul Tugas : Kajian Performansi Mesin Diesel Stasioner Satu Silinder Menggunakan Katalitik Konventer Dengan Sistem Dua Bahan Bakar (Dual Fuel) Solar dan Biogas Dengan Kandungan 60 % Metana
Diberikan tanggal : 06-04-2015 Selesai Tgl : 19-08-2015
Dosen Pembimbing : DR. Eng. Himsar Nama Mhs : Bensazar Lumbanraja Ambarita,ST,MT NIM : 100401075
No Tanggal KEGIATAN ASISTENSI BIMBINGAN Tanda Tangan
Dosen Pemb.
1 06-04-2015 Menerima spesifikasi tugas
2 08-04-2015 Studi Literatur dan Pencarian Referensi 3 16-04-2015 Pengadaan Alat dan Pemasangan 4 05-05-2015 Pengambilan Bahan Bakar 5 26-05-2015 Pengujian
6 05-07-2015 Asistensi Hasil Pengujian 7 13-07-2015 Perbaikan Laporan Bab 1, 2, 3 8 22-07-2015 Asistensi Bab 4,5
Dosen Pembimbing setiap Asistensi 2. Kartu ini harus dijaga bersih dan rapi 3. Kartu ini harus dikembalikan ke
ABSTRAK
Keterbatasan sumber daya minyak dan peningkatan jumlah penduduk merupakan salah satu masalah didunia, hal itu yang mendorong kita untuk melakukan pengembangan dan penelitian terhadap adanya bahan bakar alternative. Biogas merupakan bahan bakar yang berasal dari limbah kelapa sawit, dan kotoran ternak yang dapat digunakan sebagai bahan bakar alternatif bagi mesin diesel. Pada penelitian ini, biogas digunakan sebagai bahan bakar pada mesin genset diesel stasioner satu silinder yang dimodifikasi dengan sistem berbahan bakar ganda(dual fuel) untuk menghasilkan listrik. Untuk mengetahui pengaruh terhadap performansi mesin, kami variasikannya dengan laju aliran bahan bakar biogas. Performansi yang dihitung adalah daya, torsi, efisiensi thermal, konsumsi bahan bakar (SFC) dan rasio perbandingan udara bahan bakar (AFR) dengan pengujian mesin menggunakan beban statis 600, 900, 1200 dan 1500 Watt, dan juga putaran mesin yang dinaikkan perlahan dari 1000 hingga 1500 RPM, serta penambahan katalitik converter dengan harapan mengurangi emisi gas buang. Kemudian hasil pengujian performansi yang didapat dibandingkan dengan mesin genset diesel yang sama, dengan menggunakan bahan bakar solar murni, sehingga dapat diketahui pengaruh dari bahan bakar biogas terhadap performansi mesin diesel. Dan juga dilakukan pengujian emisi gas buang untuk memenuhi kelayakan standarisasi dari mesin yang menggunakan bahan bakar solar dan biogas tersebut. Juga perhitungan perbandingan nilai ekonomis untuk mengetahui efisiensi nilai ekonomis dari perubahan bahan bakar. Dari hasil pengujian didapatkan bahwa, daya dan torsi mesin cenderung meningkat untuk beberapa laju aliran aliran biogas, efisiensi thermal meningkat untuk seluruh laju aliran biogas sedangkan SFC dan AFR menurun untuk seluruh laju aliran biogas. Dengan menggunakan biogas, dapat mengurangi konsumsi bahan bakar solar (nilai ekonomis solar).
ABSTRACT
The limited resources of oil and the increase in population is one of the problems in the world, it is that drives us to do development and research on the alternative fuel. Biogas is a fuel derived from palm oil waste, and manure can be used as an alternative fuel for diesel engines. In this study, the biogas is used as a fuel in a diesel engine generator set stationary single-cylinder modified with dual fuel system (dual fuel) to generate electricity. To determine the effect of the performance of the machine, we variasikannya with biogas fuel flow rate. Performance is calculated is the power, torque, thermal efficiency, fuel consumption (SFC) and the ratio of air to fuel (AFR) with test machines using a static load of 600, 900, 1200 and 1500 Watt, as well as engine speed is increased slowly from 1000 up to 1500 RPM, and the addition of a catalytic converter in the hope of reducing exhaust emissions. Then the performance test results were compared with the same diesel engine generator set, using pure diesel fuel, so that it can be seen the influence of biogas for diesel engine performance. And also testing exhaust emissions to meet the eligibility standardization of engines that use diesel fuel and biogas. Also the economic value ratio calculation to determine the efficiency of the economic value of the fuel changes. From the test results showed that, the power and torque of the engine tends to increase for several biogas stream flow rate, increased thermal efficiency for the entire biogas flow rate decreases while the SFC and the AFR for the entire biogas flow rate. By using biogas, can reduce the consumption of diesel fuel (diesel economic value).
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur saya ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas berkat,
kasih karunia, kekuatan dan kesehatan yang diberikan selama pengerjaan skripsi ini,
sehingga skripsi ini dapat saya selesaikan dengan baik.
Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan
untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu “KAJIAN
PERFORMANSI MESIN DIESEL STASIONER SATU SILINDER MENGGUNAKAN KATALITIK KONVERTER DENGAN SISTEM DUA BAHAN BAKAR (DUAL FUEL) SOLAR DAN BIOGAS DENGAN KANDUNGAN METANA 60% ”
Dalam penulisan skripsi ini tidak sedikit hambatan yang dihadapi penulis.
Untuk itu penulis secara khusus menyampaikan terima kasih kepada dosen
pembimbing Bapak DR.Eng. Himsar Ambarita, ST.MT yang telah memberikan saran
dan bimbingan untuk kelancaran penulisan skripsi ini.
Selama penulisan skripsi ini, penulis juga banyak mendapat bantuan dari
berbagai pihak. Oleh karena itu penulis juga mengucapkan terima kasih kepada :
1. Orang tua saya Ir. A. Lumbanraja dan H. Simanungkalit yang selalu
menjadi inspirasi buat penulis dari awal masuk kuliah sampai
penyelesaian Skripsi ini.
2. Bapak DR.Ing.Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik
Mesin USU yang memberikan kesempatan kepada penulis dalam
menyelesaikan tugas sarjana ini.
3. Bapak DR. Eng. Himsar Ambarita, ST. MT selaku dosen pembimbing,
yang bersedia meluangkan waktu dalam memberikan bimbingan serta
4. Arie, Gunung, Baringin sebagai partner TA yang mempunyai semangat
dalam menyelesaikan tugas akhir.
5. Seluruh Dosen dan Pegawai Departemen Teknik Mesin USU yang telah
memberikan kesempatan dan urusan administrasi.
6. Adek penulis Yediya Lumbanraja dan Asweros ‘Pocil’ Lumbanraja,
saudara-saudari sekalian yang tak henti-henti memberi dukung dan
mendoakan kepada penulis.
7. Rekan-rekan seperjuangan teknik mesin stambuk 2010, adinda teknik
mesin stambuk 2012, serta rekan rekan di Berdikari Mini Complex, Lapo
Tuak Mora, Serdadu Mesin Kanan, Kede kila Terompet (Andi Panjaitan,
Jekson Marpaung, Luftry (Coky) Siregar, dkk), Scooterist Sumut, Anti
Formal, Hukum Darma Agung, Racun dunia, GBU Smansa, ML service,
KMKT dan rekan rekan yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang
selalu memberi bius semangat kepada penulis.
Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurang sempurnaan dan kesilapan
dalam penulisan skripsi ini. Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan
dengan senang hati menerima saran dan kritik yang membangun demi tercapainya
tulisan yang lebih baik.
Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada
pembaca. Terima kasih.
Medan, 17 Agustus 2015
Penulis
Bensazar Lumbanraja
DAFTAR ISI
1.2 Tujuan Pengujian ... 2
1.3 Batasan Masalah ... 2
1.4 Manfaat Pengujian ... 3
1.5 Metodologi Penulisan ... 4
1.6 Sistemetika Penulisan ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Bahan Bakar Hidrokarbon ... 6
2.1.1 Bahan Bakar Diesel ... 6
2.3 Dual Fuel System ... 17
2.6 Proses Pembakaran dan Bahan Bakar ... 34
2.7 Generator Set ... 38
2.8 Katalitik Konverter ... 40
2.8.1 Konstruksi Katalitik Konverter ... 41
2.8.2 Tipe – Tipe Katalitik Konverter ... 42
2.8.3 Mekanisme Kerja Katalitik Konverter……….. 42
2.8.4 Efek Pada Lingkungan ... 44
2.8.5 Fungsi Lain Dari Katalitik Konverter ... 46
2.8.5.1 Sound Absorption Muffler ... 47
2.8.5.2 Sound Cancelation Muffler ... 48
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat ... 49
3.2 Alat dan Bahan ... 49
3.2.1 Alat ... 49
3.2.2 Bahan.... ... 60
3.3 Metode Pengumpulan data ... 61
3.5 Pengamatan dan Tahap Pengujian ... 61
3.6 Prosedur Perakitan ... 62
3.7 Prosedur Pengujian Prestas Mesin Diesel ... 62
3.8 Diagram Alir Pengujian Performansi Mesin ... 65
3.9 Prosedur Pengujian Emisi Gas Buang ... 66
3.10 Set Up Alat………..67
BAB IV HASIL DAN ANALISA DATA 4.1Daya………. ... 71
4.1.1 Daya yang dihasilkan dengan solar murni ... 71
4.1.2 Daya yang dihasilkan dengan solar + biogas 2 l/menit ... 73
4.1.3 Daya yang dihasilkan dengan solar + biogas 4 l/menit ... 75
4.1.4 Daya yang dihasilkan dengan solar + biogas 6 l/menit ... 77
4.2 Torsi………. ... 83
4.2.1 Torsi yang dihasilkan dengan solar murni ... 83
4.2.2 Torsi yang dihasilkan dengan solar + biogas 2 l/menit ... 85
4.2.3 Torsi yang dihasilkan dengan solar + biogas 4 l/menit ... 87
4.2.4 Torsi yang dihasilkan dengan solar + biogas 6 l/menit ... 89
4.3 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik ... 95
4.3.1 SFC yang dihasilkan dengan solar murni ... 96
4.3.2 SFC yang dihasilkan dengan solar + biogas 2 l/menit ... 98
4.3.3 SFC yang dihasilkan dengan solar + biogas 4 l/menit ... 100
4.3.4 SFC yang dihasilkan dengan solar + biogas 6l/menit ... 102
4.4 Efisiensi Thermal Brake ... 108
4.4.1 Efisiensi Thermal dengan solar murni ... 108
4.4.2 Efisiensi Thermal dengan solar + biogas 2 l/menit ... 110
4.4.3 Efisiensi Thermal dengan solar + biogas 4 l/menit ... 112
4.4.4 Efisiensi Thermal dengan solar + biogas 6 l/menit ... 114
4.5.1 AFR dengan solar murni...121
4.5.2 AFR dengan solar + biogas 2 l/menit...124
4.5.3 AFR dengan solar + biogas 4 l/menit...126
4.5.4 AFR dengan solar + biogas 6 l/menit...128
4.6 Emisi Gas Buang...134
4.7 Tinjauan Nilai Ekonomis...139
4.7.1 Nilai Ekonomis untuk solar murni...139
4.7.2 Nilai Ekonomis untuk solar + biogas 2 l/menit...141
4.7.3 Nilai Ekonomis untuk solar + biogas 4 l/menit...143
4.7.4 Nilai Ekonomis untuk solar + biogas 6 l/menit...144
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ...149
5.2 Saran...151
DAFTAR PUSTAKA ... ….xv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Proses Penyulingan Minyak ...6
Gambar 2.2 Pemurnian Biogas ...13
Gambar 2.3 Proses Pembuatan Biogas...15
Gambar 2.4 Mesin Dengan Sistem Dua Bahan Bakar ...17
Gambar 2.5 Diagram P-V Mesin Diesel ...18
Gambar 2.6 Diagram T-S Mesin Diesel ...19
Gambar 2.7 Prinsip Kerja Mesin Diesel ...20
Gambar 2.8 Skema Operasi Dynamometer ...23
Gambar 2.9 Diagram Alir Prestasi Mesin ...27
Gambar 2.10 Pengetesan Prestasi Mesin ...28
Gambar 2.11 Diagram p-v Siklus Diesel ...29
Gambar 2.12 Standar Uji Emisi Nasional Indonesia ...30
Gambar 2.13 Grafik Tekanan vs Sudut Engkol ...34
Gambar 2.14 Hidrokarbon rantai lurus ...36
Gambar 2.15 Alpha-methylnaphtalene ...36
Gambar 2.16 Generator Set……….38
Gambar 2.17 Katalitik Konverter………44
Gambar 2.18 Sound Absorptio………47
Gambar 2.20 Kombinasi Absorption dan Cancelation………...48
Gambar 2.21 Skema Pereduksian Kebisingan………48
Gambar 3.1 Tiger Diesel Engine Single-Cylinder R175AN………...49
Gambar 3.2 Syncronous Generators Single Phase AC………..50
Gambar 3.3 Engine Smoke meter dan Gas Analyzer...51
Gambar 3.4 Thermocouple Thermometer ...52
Gambar 3.5 Catalitic Converter………..53
Gambar 3.6 Kompressor……….53
Gambar 3.7 Flowmeter Gas ...54
Gambar 3.8 Multi meter ...54
Gambar 3.9 Tabung Penhyimpanan Biogas ...56
Gambar 3.10 Regulator Gas ...56
Gambar 3.11 Solenoid Valve ...56
Gambar 3.12 Stop watch ...57
Gambar 3.13 Manometer ...57
Gambar 3.14 Selang Bertekanan ...58
Gambar 3.15 Rangkaian Lampu ...58
Gambar 3.16 Alat Perbengkelan ...59
Gambar 3.17 V-Belt dan Pulley ...59
Gambar 3.18 Panel Listrik ...60
Gambar 3.20 Diagram Alir Pengujian Performansi Mesin...65
Gambar 3.21 Diagram Alir Pengujian Emisi Gas Buang ...66
Gambar 3.22 Set Up Alat………....67
Gambar 3.23 Set Up Pengujian Mesin Diesel………...69
Gambar 4.1 Grafik Daya vs RPM , Beban 600 Watt ...79
Gambar 4.2 Grafik Daya vs RPM , Beban 900 Watt ...80
Gambar 4.3 Grafik Daya vs RPM, Beban 1200 Watt ...81
Gambar 4.4 Grafik Daya vs RPM, Beban 1500 Watt ...82
Gambar 4.5 Grafik Torsivs RPM , Beban 600 Watt ...91
Gambar 4.6 Grafik Torsi vs RPM, Beban 900 Watt ...92
Gambar 4.7 Grafik Torsi vs RPM, Beban 1200 Watt ...93
Gambar 4.8 Grafik Torsi vs RPM, Beban 1500 Watt ...94
Gambar 4.9 Grafik SFC vs RPM, Beban 600 Watt ...104
Gambar 4.10 Grafik SFC vs RPM, Beban 900 Watt ...105
Gambar 4.11 Grafik SFC vs RPM, Beban 1200 Watt ...106
Gambar 4.12 Grafik SFC vs RPM, Beban 1500 Watt ...107
Gambar 4.13 Grafik Efisiensi Thermal vs RPM, Beban 600 Watt………116
Gambar 4.14 Grafik Efisiensi Thermal vs RPM, Beban 900 Watt………117
Gambar 4.15 Grafik Efisiensi Thermal vs RPM , Beban 1200 Watt………….118
Gambar 4.17 Grafik AFR vs RPM, Beban 600 Watt……….. 130
Gambar 4.18 Grafik AFR vs RPM, Beban 900 Watt ...131
Gambar 4.19 Grafik AFR vs RPM, Beban1200 Watt ...132
Gambar 4.20 Grafik AFR vs RPM, Beban 1500 Watt ...133
Gambar 4.21 Grafik Nilai Ekonomis vs RPM, Beban 600 Watt ...145
Gambar 4.22 Grafik Nilai Ekonomis vs RPM, Beban 900 Watt ...146
Gambar 4.23 Grafik Nilai Ekonomis vs RPM, Beban 1200 Watt ...147
Gambar 4.24 Grafik Nilai Ekonomis vs RPM, Beban 1500 Watt ...148
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Spesifikasi Minyak Solar ... 9
Tabel 2.2 Komposisi Kandungan Biogas ... 11
Tabel 2.3 Sifat Fisik Biogas ... 12
Tabel 2.4 Perbedaan motor diesel dan motor bensin………...28
Tabel 2.5 Standard Emisi Gas Buang………31
Tabel 4.1 Hasil Perhitungan Daya Solar Murni ... 72
Tabel 4.2 Daya Solar Murni + 2 l/min Biogas ... 74
Tabel 4.3 Daya Solar Murni + 4 l/min Biogas ... 76
Tabel 4.4 Daya Solar Murni + 6 l/min Biogas ... 78
Tabel 4.5 Torsi Solar Murni ... 84
Tabel 4.6 Torsi Solar Murni + 2 l/min Biogas ... 86
Tabel 4.7 Torsi Solar Murni + 4 l/min Biogas ... 88
Tabel 4.8 Torsi Solar Murni + 6 l/min Biogas ... 90
Tabel 4.9 SFC Bahan Bakar Solar Murni ... 97
Tabel 4.10 SFC Bahan Bakar Solar Murni + 2 l/min Biogas ... 99
Tabel 4.11 SFC Bahan Bakar Solar Murni + 4 l/min Biogas………..101
Tabel 4.12 SFC Bahan Bakar Solar Murni + 6 l/min Biogas………...103
Tabel 4.13 Efisiensi Thermal Solar Murni……….109
Tabel 4.14 EfisiensiThermal Solar Murni + 2 l/min Biogas………...111
Tabel 4.15 Efisiensi Thermal Solar Murni + 4 l/min Biogas………...113
Tabel 4.16 Efisiensi Thermal Solar Murni + 6 l/min Biogas………115
Tabel 4.17 AFR Bahan Bakar Solar Murni………...123
Tabel 4.19 AFR Bahan Bakar Solar Murni + 4 l/min Biogas……….127
Tabel 4.20 AFR Bahan Bakar Solar Murni + 6 l/min Biogas……….129
Tabel 4.25 Emisi Gas Buang Solar Murni……….134
Tabel 4.26 Emisi Gas Buang Solar Murni + 2 l/min Biogas………..136
Tabel 4.27 Emisi Gas Buang Solar Murni + 4 l/min Biogas ...137
Tabel 4.28 Emisi Gas Buang Solar Murni + 6 l/min Biogas ...138
Tabel 4.21 Nilai Ekonomis Bahan Bakar Solar Murni ...140
Tabel 4.22 Nilai Ekonomis Bahan Bakar Solar Murni + 2 l/min Biogas ...142
Tabel 4.23 Nilai Ekonomis Bahan Bakar Solar Murni + 4 l/min Biogas ...143
DAFTAR NOTASI
SIMBOL KETERANGAN SATUAN
PB Daya Keluaran Watt
CV Nilai kalor kJ/kg
Laju aliran massa udara kg/s
Lajualiranbahanbakar kg/jam
n Putaran mesin rpm
Effisiensi termal %
Sfc Konsumsibahanbakarspesifik g/kW.jam
t Waktupengujian yang ditentukan jam
Ʈ Torsi keluaran mesin N.m
massa jenis bahan bakar kg/m3
V Tegangan listrik Volt
I Arus Listrik Ampere
v Volume bahan bakar ml
d Diameter Silinder mm
S Panjang Langkah mm
rc Rasio Kompresi
Vd Volume Silinder m3
Vc Volume sisa di silinder m3
