STUDI EKSPERIMENTAL VARIASI TEKANAN BAHAN BAKAR DAN SUDUT PENGAPIAN ENGINE EFI BERBAHAN BAKAR GASOHOL E 20 TERHADAP EMISI GAS BUANG

(1)

POLITEKNOSAINS EDISI KHUSUS DIES NATALIS Juli 2012

Studi Eksperimental Variasi… 14

STUDI EKSPERIMENTAL VARIASI TEKANAN BAHAN BAKAR DAN SUDUT PENGAPIAN ENGINE EFI BERBAHAN BAKAR

GASOHOL E 20 TERHADAP EMISI GAS BUANG Arif Setyo Nugroho

Staf Pengajar Akademi Teknologi Warga Surakarta

ABSTRACT

Bioethanol is a potential renewable fuel, because it can be mixed with gasoline to gasohol. Research purposes is to determine the influence of ethanol content of E20 on the performance and characteristics the vehicle engine exhaust gases, by varying the fuel pressure and ignition timing . From the test results obtained, an increase in CO levels along with increased pressure fuel into the combustion chamber, The lower levels of HC combustion more complete, this shows little fuel is wasted. The higher levels of CO2 more perfect combustion. With the change of pressure

variations will affect the size of the engine RPM. Where the greater the pressure and ignition timing is then lamdha (λ) will be much smaller .

Key word : Gasohol,HC,Lamdha,CO,CO2

Pendahuluan

Proses pembakaran yang terjadi diruang bakar merupakan serangkaian proses kimia yang melibatkan campuran bahan bakar berupa HC dengan oksigen,proses pembakaran ini menghasilakn empat macam gas buang berupa CO2, CO, NOx dan HC, keempat macam gas buang ini terbentuk pada proses pembakaran sempurnas dan tidak sempurna.

Menaikan angka oktan pada mesin adalah salah satu upaya untuk meningkatkan kualitas bensin.Untuk mendapatkan bensin

dengan angka oktan yang cukup tinggi dapat ditempuh dengan beberapa caraantara lain : Menggunakan komponen yang beroktan tinggi sebagai bahan

bakar, contohnya dengan

penambahan alkohol atau menambahkan aditif peningkat angka oktan

Pemakaian ethanol murni secara langsung pada mesin bensin akan sulit karena diperlukan banyak modifikasi. Pada temperatur rendah ethanol akan sulit terbakar, sehingga dengan ethanol murni mesin akan sulit

(2)

starting. Pencampuran ethanol dengan bensin akan mempermudah starting pada temperatur rendah. Mencampur ethanol dengan bensin akan menghasilkan gasohol. Dan komposisi ethanol dengan bensin pada komposisi tertentu akan menghasilkan performa mesin yang baik.

Penurunan emisi gas buang karbon monoksida sebesar 50% sangatlah berarti, sehingga diharapkan nilai ambang batas ambien dari gas buang tidak akan terlampaui dalam waktu cepat, yang secara langsung akan mengurangi proses pemanasan global dan lokal. Pemakaian bahan bakar yang berasal dari campuran etanol dan bensin pada mesin engine stand EFI dengan perlakuan sudut throutel dan sudaut pengapian perlu dilakukan pengakajian selain kondisi seperti tersebut diatas, didasarkan hal tersebut diatas maka perlu dilakukan penelitian guna memperoleh hasil emisi gas buang.

Tujuan Penelitian

Untuk mengetahui pengaruh kadar etanol untuk gas buang mesin

kendaraan. Dengan cara

memvariasikan tekanan bahan bakar dan sudut pengapian .

Tinjauan Pustaka

Bambang sugiarto (2002) dalam penelitiannya menjelaskan bahwa untuk menaikan angka oktan pada mesin adalah salah satu upaya untuk meningkatkan kualitas bensin.Untuk mendapatkan bensin dengan angka oktan yang cukup tinggi dapat ditempuh dengan beberapa cara antara lain : Menggunakan komponen yang beroktan tinggi sebagai bahan

bakar ,contohnya dengan

penambahan alkohol atau menambahkan aditif peningkat angka oktan

Wei-Dong Hsieh (2002) dalam penelitiannya menjelaskan hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan meningkatkan kadar etanol, nilai panas bahan bakar dicampur menurun, sedangkan angka oktan dari campuran bahan bakar meningkat. Hal ini juga

menemukan bahwa dengan

meningkatnya kandungan etanol, uap Reid tekanan bahan bakar dicampur awalnya meningkat

menjadi maksimum pada

penambahan etanol 10%, dan kemudian menurun. Hasil uji mesin menunjukkan bahwa menggunakan etanol-bensin dicampur bahan bakar, torsi output dan konsumsi bahan bakar mesin sedikit meningkat; Emisi CO dan HC menurun secara dramatis sebagai

(3)

akibat dari pengaruh bersandar disebabkan oleh penambahan etanol dan CO2 emisi meningkat karena pembakaran ditingkatkan. Dan emisi NOx tergantung pada kadar campuran ethanol dan kondisi mesin.

Atok Setiyawan (2007) dalam penelitiannya menjelaskan pemajuan ignition timing dan peningkatan compression ratio dapat menambah unjuk kerja motor bensin berbahan bakar E-85 bila dibandingkan dengan kondisi standar, meskipun masih dibawah unjuk kerja premium. Ignition timing terbaik dicapai pada 30_ BTDC sedangkan compressio ratio tercapai pada kondisi maksimum, yaitu 10,2:1. Berdasarkan variasi ignition timing dan compression ratio yang diteliti, hasil peneletian menunjukkan bahwa menentukan igntion timing yang tepat dapat memberikan perbaikkan unjuk kerja motor bensin secara signifikan dibandingkan dengan compression ratio. Mereduksi CO dan mengcompered emisi HC lebih baik pada sudut pengapian ini.

Yu-Liang Chen dkk

(2010),dalam penelitiannya menjelaskan untuk mengurangi jumlah polusi udara, desain baru kendaraan, seperti pengisian bahan bakar elektronik (EFI) mesin atau menggunakan bahan bakar

alternatif adalah kebutuhan yang mebdesak. Dalam studi ini, dengan menggunakan etanol sebagai bahan bakar alternatif dalam mesin sepeda motor diselidiki dalam aspek analisis emisi dan kinerja mesin. Secara umum, output mesin, emisi gas buang CO dan NOx menurun dengan meningkatnya kandungan etanol dalam bahan bakar. Etanol campuran bensin-tinggi rasio (> 20%) menghasilkan pengurangan emisi lebih kecil dibandingkan rasio campuran rendah (<15%).

Tolga Topgul dkk (2006) dalam penelitiannya menjelaskan bahwa bensin tanpa timbal yang dicampur dengan ethanol dengan campuran tertentu dapat

meningkatkan torsi dan

menurunkan emisi gas karbon monoksida dan hidrokarbon,dapat meningkatkan rasio kompresi tanpa terjadi knocking.

Proses pembakaran akan terjadi jika unsur – unsur bahan bakar teroksidasi .Proses ini akan menghasilkan panas sehingga akan disebut sebagai proses oksidasi eksotermis.Jika oksigen yang dibutuhkan untuk proses pembakaran diperoleh dari udara,dimana udara terdiri dari 21 % oksigen dan 78 % nitrogen,maka reaksi stoikiometri pembakaran hidrokarbon murni CmHn dapat ditulis dengan persamaan

(4)

(1) Air Fuel Ratio (AFR) Dan Fuel Air Ratio. (FAR)

Air Fuel Ratio adalah faktor yang mempengaruhi kesempurnaan proses pembakaran di dalam ruang bakar. Merupakan komposisi campuran bensin dan udara . Idealnya AFR bernilai 14,7 . Artinya campuran terdiri dari 1 bensin berbanding 14,7 udara atau

disebut dengan istilah

Stoichiometry. Pemakaian udara yang tidak stoikiometris, dikenal istilah Equivalent Ratio(ER). Equivalent Ratio (ER) atau Fuel

Air Ratio (FAR) adalah

perbandingan antara jumlah (bahan bakar/ udara) yang digunakan dan jumlah (bahan bakar/ udara) stoikiometris. Dengan demikian maka:FAR (lamda) = 1, berarti reaksi stoikiometris tetap sama dengan harga AFR ideal. (lamda) <1,berarti pemakaian udara kurang

dari keperluan reaksi

stoikiometris.(campuran kaya) ,(lamda) >1,berarti pemakaian udara lebih dari keperluan reaksi stoikiometris (campuran miskin)

(2) (3)

Laju aliran massa udara adalah

Mudara = ρ.v.A (kg/s)

(4)

Laju aliran bahan bakar adalah

M bahan bakar = ρ.v.A (kg/s) (5) (6) Konsumsi bahan bakar spesifik (Sfc)

(7)

Besarnya laju aliran massa bahan bakar (mf)

(8)

Metodologi

Pengujian untuk mengetahui karakter hasil pembakaran atau sifat gas buang dari pengujian bahan bakar E 20,Pengujian dilakukan dengan engine stand jenis mesin kijang K7E.Kemudian pengujian dilakukan dengan menvariasikan tekanan pada sudut pengapian 8º,10º,12º,dan 15º dan pada tekanan 2.25,2.5,3,3.5 setiap sudut pengapian pada keadaan stasioner.

Bahan bakar yang digunakan adalah campuran bahan bakar ethanol dan premium atau sering disebut gasohol E 20,kadar ethanol yang digunakan adalah 96 %.

(5)

Pengambilan data pada tekanan yang bervariasi dan pada kondisi rpm stationer menyebabkan emisi gas buang mempunyai kandungan kadar komponen yang terbesar ,bahwa gas karbon monoksida yang berasal dari gas buang kendaraan akan sangat tinggi pada saat motor dioperasikan pada beban yang besar dan putaran yang rendah, pada kondisi macet inilah maka motor beroperasi pada beban yang tinggi namun putaran rendah. Ini mengakibatkan, gas karbon monoksida yang dilepas ke lingkungan akan semakin tinggi pada saat macet.

Pengujian dilakukan untuk mengetahui fenomena yang terjadi pada mesin Otto (kijang K 7 E) dengan menggunakan bahan bakar

premium dan gashohol E

20.Parameter utama yang diamati yaitu komponen gas buang dengan cara memvariasikan sudut pengapian dan tekanan bahan bakar yang masuk di ruang bakar,analisa gas buang yang dihasilkan. Pengujian ini didasarkan pada kondisi sebagai berikut :

1. Tekanan udara luar standar 1 atm.

2. Bahan bakar yang digunakan Gasohol E20

3. Rpm stasioner mesin mengikuti variasi sudut pengapian.

4. Mesin yang digunakan adalah engine stand (kijang K 7 E) 5. Pengaturan tekanan di lakukan

dengan cara pemasangan katup dan alat ukur tekanan.

Gambar 1 pemasangan alat uji pada engine

Hasil dan Pembahasan

Ethanol (E20) Campuran Ethanol dan gasoline.Ethanol (C2H5OH) = 20 % & Gasoline (C8H18) = 80 % Campuran ideal untuk pembakaran antara udara dan masing-masing senyawa penyusun bensin dapat dihitung dari massa relatif masing-masing atom dan kesetimbangan reaksi kimia. Massa relatif atom-atom penyusun bensin dan oksigen adalah:Carbon,C: 12; Hidrogen, H : 1; Oxygen, O : 16;Nitrogen ,N :14. Reaksi Stoikiometrinya : [C2H5OH + 4C8H18] + 53[O2 + 3,76N2] 34CO2 + 39H2O + 199,28N 2 (9) C2H5OH + 4C8H18 + 53 O2 + 199,28 _N2 34CO2 + 39 H2O + 199,28 N2 (10)

(6)

Emisi gas buang lebih banyak terjadi akibat pembakaran yang tidak sempurna. Pada langkah pembakaran, sebagian dari campuran bahan bakar udara tersebut tidak ikut terbakar akibat

pembakaran yang tidak

sempurna.

Hal ini menimbulkan gas

HC yang masih berupa

hidrokarbon (CxHy).Pada tahap ini sebagian hidrokarbon bahan bakar yang akan bereaksi dengan udara menjadi gas CO akibat reaksi pada temperatur tinggi dan kekurangan O2.

Jika campuran bahan bakar dengan udara berlebih maka gas NO juga akan timbul pada saat temperatur tinggi. Pembakaran sempurna mempunyai produk CO2 dan H2O. Sedang kan pembakaran yang tidak sempurna menghasilkan produk tambahan CO, HC, NOX, dan partikulat. Emisi inilah yang relatif berbahaya terhadap manusia dan lingkungan.

Gambar 2 alat uji gas analiser

Dari gambar 3 data hasil pengujian dapat diketahui besarnya masing – masing unsur gas buang dimana setiap unsurnya memiliki besaran yang bervariasi

Gambar 3 data hasil pengujian Data diambil berdasarkan

hasil pengujian dengan

memvariasikan sudut pengapian dan mengatur tekanan bahan bakar yang masuk ke injektor dengan mengendalikan saluran bahan bakar. No Sudut peng awas Tekanan (kg/cm²) RPM Stasioner CO (%Vol) CO₂ (%Vol) HC (%Vol) O₂ (%Vol) LANDH A ω 1 8⁰ 2.25 1050 5.29 9 327 1617 1.419 2.5 1050 5.35 8.9 331 18.6 1.482 3 1000 9.04 8.3 381 17.7 1.419 3.5 990 9.36 8.1 403 16.1 1.345 2 10⁰ 2.25 1110 5.3 8.7 373 18.7 1.493 2.5 1070 5.74 8.3 421 16.8 1.4 3 1090 9.24 8.3 455 17.1 1.388 3.5 1040 9.76 7.8 498 16.1 1.326 3 12⁰ 2.25 1160 8.12 8.7 392 17.8 1.464 2.5 1110 8.63 8.2 432 17.6 1.436 3 1070 9.26 7.9 474 18.3 1.435 3.5 1070 9.61 7.6 588 17.4 1.383 4 15⁰ 2.25 1240 8.33 8.5 569 18.2 1.465 2.5 1240 8.57 7.9 600 14.8 1.329 3 1150 9.56 7.7 654 17.5 1.32 3.5 1150 9.69 7.4 645 16.3 1.314

(7)

Gambar 4 grafik pengaruh tekanan terhadap kadar CO.

Dari gambar 4 dapat diketahui bahwa adanya peningkatan kadar CO seiring dengan peningkatan tekanan bahan bakar yang masuk ke dalam ruang bakar,sehingga

mempengaruhi pembakaran

diruang bakar.Kadar CO adalah kadar yang perlu ditekan karena CO adalah racun. Kadar CO dipengaruhi oleh kecilnya nilai lambda, harga lambda yang dibawah 1 maka campuran dianggap kaya, naiknya jumlah bahan bakar yang masuk keruang bakar menyebabkan jumlah oksigen yang terpakai bisa 100%. Pengaturan jumlah bahan bakar pada mesin EFI yang perlu dilakukan pengkondisian adalah

nosel, ataupun proses

pembakarannya khususnya kondisi busi.

Dari gambar 5 menunjukan adanya korelasi penurunan kadar CO2 seiring dengan kenaikan tekanan bahan bakar. Konsentrasi CO₂menunjukkan secara langsung

status proses pembakaran di ruang bakar,dengan memvariasikan tekanan dan sudut pengapian

Gambar 5 grafik pengaruh tekanan terhadap kadar CO2.

Semakin tinggi kadar CO 2 dalam emisi gas buang maka semakin baik,artinya pembakaran didalam ruang bakar adalah pembakaran yang sempurna. Saat AFR berada di angka ideal, emisi CO₂ berkisar antara 12% sampai 15%.

Gambar 6 grafik pengaruh tekanan terhadap kadar O2

Gambar 6 menerangkan adanya kebutuhan udara terutama O2 guna pembakaran sempurna didalam motor bakar. Konsentrasi dari oksigen di gas buang

(8)

kendaraan berbanding terbalik dengan konsentrasi CO₂. Untuk mendapatkan proses pembakaran yang sempurna, maka kadar oksigen yang masuk ke ruang bakar harus mencukupi untuk setiap molekul hidrokarbon. Kondisi ini memungkinkan molekul bensin dan molekul udara dapat dengan mudah bertemu untuk bereaksi dengan sempurna pada proses pembakaran.

Gambar 7 grafik pengaruh tekanan terhadap lamdha (λ)

Dari gambar 7 dapat diketahui adanya pengaruh tekanan terhadap lamdha (λ).

Dimana semakin besar tekanan dan sudut pengapian maka lamdha (λ) akan semakin mengecil artinya

AFR actual nya semakin mengecil

pada AFR stoic tetap.Dan ini berpengaruh pada kondisi gas buang yang dihasilkan semakin tinggi tekanan dan sudut pengapian maka lamdha (λ) akan mengecil dan CO akan membesar dan artinya akan merugikan lingkungan dan manusia,karena sifat CO yang banyak sekali merugikan manusia

,pada kondisi bahan bakar menggunakan E 20.

Gambar 8 grafik pengaruh tekanan terhadap RPM stasioner.

Gambar 8 mengenai hubungan tekanan terhadap RPM stasioner ,dapat diketahui bahwa dengan adanya perubahan variasi tekanan akan mempengaruhi besar kecilnya RPM engine.

KESIMPULAN

1. Peningkatan kadar CO seiring dengan peningkatan tekanan bahan bakar yang masuk ke dalam ruang bakar,sehingga mempengaruhi pembakaran diruang bakar. Apabila unsur-unsur oksigen (udara) tidak cukup, akan terjadi proses pembakaran tidak sempurna 2. Semakin kecil kadar HC

pembakaran semakin

sempurna, ini menunjukan sedikitnya bahan bakar yang terbuang. Semakin tinggi kadar HC semakin banyak sisa bahan bakar mentah (gas yang tidak terbakar setelah gagal pengapian) yang terbuang pada

(9)

proses pembakaran, ini menunjukan banyaknya bahan bakar yang terbuang percuma. 3. Semakin tinggi kadar CO₂

semakin sempurna

pembakarannya dan besarnya kandungan CO2 berkebalikan dengan kandungan CO dalam emisi gas buang.

4. Dengan adanya perubahan

variasi tekanan akan mempengaruhi besar kecilnya RPM engine.

5. Dimana semakin besar tekanan dan sudut pengapian maka lamdha (λ) akan semakin mengecil artinya AFRactual

semakin mengecil pada

AFRstoic tetap.Dan ini

berpengaruh pada kondisi gas buang yang dihasilkan semakin tinggi tekanan dan sudut pengapian maka lamdha (λ) akan mengecil dan CO akan membesar dan artinya akan merugikan lingkungan dan manusia,karena sifat CO yang banyak sekali merugikan manusia ,pada kondisi bahan bakar menggunakan E 20. 6. Pada proses pencampuran

ethanol dan bensin harus betul – betul diperhatikan dalam prosentasenya ,begitu pula proses penuangan pada tangki bahan bakar ,adanya air dibawah setelah diamkan

sesaat harus dibuang dan tidak dimasukan kedalam tangki bahan bakar,karena bisa

menghambat proses

pembakaran dan dapat menimbulkan korosif. Dan yang tidak kalah penting adalah kondisi sistem pengapian yang betul betul baik.

DAFTAR PUSTAKA

Arismunandar, Wiranto, 2000, Penggerak Mula: Motor Bakar Torak, Penerbit ITB, Edisi kelima cetakan kesatu, Bandung.

Atok Setiyawan, 2007,Pengaruh

Ignition Timing Dan

Compression Ratio Terhadap Unjuk Kerja dan Emisi Gas

Buang Motor BENSIN

Berbahan Bakar Campuran Etanol 85% dan Premium 15%

(e-85),Seminar Nasional

Teknologi 2007 (SNT 2007), ISSN : 1978 – 9777,Jogjakarta. Bambang Sugiarto,2007,Analisa mesin Otto berbahan bakar premium dengan penambahan Aditif Oksigenat dan Aditif

pasaran,SNTTM-VI

Universitas Syiah Kuala. Hendrata Suhada,2002,Desain

Motor Bakar bensin Untuk Mencapai Persyaratan Standar

(10)

Bahan Bakar,jurusan T

mesin,Universitas Kristen Petra.

I Gusti Gde Badrawada, 2008, Pengaruh perubahan Sudut pengapian terhadap Prestasi mesin Motor 4 langkah,Forum Teknik Vol 32 No 3,IST Akprind,Jogjakarta.

John B Heywood,1988,Internal

Combustion Engine

Fundamentals

,McGraw-Hillbook Company, New york.

La Ode M,Pemanfaatan Bio Ethanol sebagai Bahan bakar Kendaraan Berbahan Bakar

Premium,Prosiding Prospek

pengembangan bio fuel sebagai substitusi bahan bakar minyak.

Martins L.D,

M.F.Andrade.,2008,Emission

Scenario Assessment of

Gasohol Reformulation

Proposals and Ethanol Use in the Metropolitan Area of São Paul, The Open Atmospheric Science Journal, Department of Atmospheric Sciences, Institute of Astronomy, Geophysics and Atmospheric Sciences, University of São Paulo, Brazil.

M.A. Hamdan,2010, ”Simulation

Of Compression Ignition Engine Powered By Biofuels,Department of Mechanical engineering-University of Jordan”. Amman-Jordan

Tolga Topgull,Huseyin Serdar Yucesu,can Cinar,Atilla Koca,2006,”the effeccts of Ethanol – Unleaded gasolin Blends And Ignition timing on

Engine performance And

Exhaust Emision”,Science

Direct Renewable Energy 2534-2542.

Wei-Dong Hsieh, Rong – Hong Chen,Tsung-Lin Wu,Ta-Hui Lin,2002,”Engine Performance And Pollutant Emission Of An SI Engine Using Ethanol– Gasoline

BlendedFuels”,Atmospheric Environment , Taiwan.

Yu-Liag Chen, Suming

Chen,Chao-Yin Tsai,Ruei-Hong Sun,Jin-Ming Tsai,Sen-Yuan Liu,Hsin,Hsiung Fang, 2010,”Effects Of Ethanol– Gasoline Blends On Engine

Performance And Exhaust

Emissions In

Motorcycle”.Proceedings of

the 5th International

Symposium on Machinery and Mechatronics for Agriculture and Biosystems Engineering (ISMAB), Fukuoka, Japan .