KAJIAN PERFORMANSI MESIN DIESEL STASIONER
SATU SILINDER DENGAN SISTEM DUA BAHAN BAKAR
(DUAL FUEL SYSTEM)
SKRIPSI
Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Oleh :
Gunung A E Sinambela (100401013)
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
M E D A N
ABSTRAK
Semakin bertambahnya populasi manusia di bumi dan semakin menipisnya sumber daya minyak menjadi sekian dari banyak hal yang mendorong kita untuk melakukan penelitian dan pengembangan terhadap sumber energi terbarukan (renewable energy), salah satunya yang memiliki potensi besar adalah penggunaan biogas yang digunakan sebagai bahan bakar motor bakar dengan sistem dua bahan bakar (dualfuel). Penelitian ini bertujuan untuk menganalisa performansi mesin diesel R 175 AN dengan menggunakan sistem dua bahan bakar (dual fuel) solar dan biogas dimana aliran biogas yang masuk ke ruang bakar akan diatur ( aliran 2, 4, 6 l/min). Selain itu, penelitian ini juga akan menganalisa emisi gas buang dari hasil pembakaran dan nilai ekonomis setelah menggunakan sistem dua bahan bakar (dual fuel) solar dan biogas. Daya maximum mesin terjadi pada penggunaan bahan bakar solar murni + 2 l/min biogas yaitu sebesar 1341,32 Watt, torsi maximum pada pembebanan 1500 Watt putaran 1500 rpm menggunakan bahan bakar solar murni + 2 l/min biogas sebesar 8,54 Nm. Nilai SFC maximum pada bahan bakar solar murni beban 600 Watt putaran 1000 rpm yaitu sebesar 852,3 gr/kW.jam. Efisiensi thermal brake maximum pada penggunaan bahan bakar solar murni + 6 l/min biogas pembebanan 900 Watt putaran 1000 rpm yaitu sebesar 47,60 %. Nilai AFR maximum pada bahan bakar solar murni + 6 l/min biogas pembebanan 600 Watt putaran 1000 rpm yaitu sebesar 310,42. Tekanan efektif rata-rata pembakaran saat menggunakan bahan bakar solar murni lebih rendah dibanding dengan tekanan efektif rata-rata saat menggunakan bahan bakar solar murni + biogas. Untuk emisi gas buang, nilai opacity rata rata mengalami penurunan setelah menggunakan sistem dua bahan bakar (dual fuel) solar dan biogas. Kadar HC dan CO mengalami peningkatan setelah menggunakan sistem dua bahan bakar (dual fuel). Untuk nilai ekonomis, setelah penggunaan sistem dua bahan bakar (dual fuel) nilai ekonomis dalam arti penghematan bahan bakar meningkat sampai 84,42 % jika dibanding dengan penggunaan bahan bakar solar murni.
ABSTRACT
The increasing human population on earth and the depletion of oil resources into a few thousandths of a lot of things that encourage us to do research and development on renewable energy sources , one of which has a great potential is the use of biogas is used as fuel for internal combustion engine with dual fuel system. This study aims to analyze the performance of the diesel engine R 175 AN using dual fuel systems diesel and biogas in which biogas flow entering the combustion chamber will be set (flow 2, 4, 6 l/s) . In addition, this study will also analyze the exhaust emissions from the combustion and economic value after use dual fuel systems diesel and biogas. Engine maximum power occurs in the use of pure diesel fuel + 2 l / min biogas which amounted to 1341.32 Watt, maximum torque at 1500 Watt load rotation 1500 rpm using pure diesel fuel + 2 l / min biogas amounted to 8.54 Nm. SFC maximum value on pure diesel fuel load of 600 Watts 1000 rpm rotation that is equal to 852,3gr / kW.jam. Maximum brake thermal efficiency in the use of pure diesel fuel + 6 l / min biogas load 900 Watt 1000 rpm rotation that is equal to 47,60%. For brake mean effective preasure using pure diesel fuel has decreased compared with brake mean effective preasure using pure diesel fuel + biogas. AFR maximum value on pure diesel fuel + 6 l / min biogas load 600 Watt 1000 rpm rotation that is equal to 310,42. For exhaust emissions, the average opacity value has decreased after using dual fuel systems diesel and biogas. HC and CO levels increased after using dual fuel systems. For economic value, after the use of dual fuel systems economic value in terms of fuel savings increased to 84,42% when compared with pure diesel fuel.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur saya ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas berkat, kasih, 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 gela sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu
“KAJIAN PERFORMANSI MESIN DIESEL STASIONER SATU
SILINDER DENGAN SISTEM DUA BAHAN BAKAR (DUAL FUEL SYSTEM)”
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. Abang dan kakakku keluarga Eldi L.P Sinambela, adek-adekku di kampung dan seluruh keluargaku, yang selalu memberikan semangat , doa dan dukungan kepada penulis dari awal masuk kuliah sampai penyelesaian skripsi ini.
2. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST. MT selaku dosen pembimbing, yang bersedia meluangkan waktu dalam memberikan bimbingan serta masukan dalam penyelesaian tugas sarjana ini.
3. Bapak Dr.Ing.Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin USU yang memberikan kesempatan kepada penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.
5. Kawan-kawan satu partner skripsi Arie, Baringin, Bensazar, yang saling memberi semangat satu sama lain meskipun kadang ada salah paham tapi tetap kompak terus.
6. Seluruh Dosen dan Pegawai Departemen Teknik Mesin USU yang telah memberikan kesempatan dan urusan administrasi.
7. Kawan-kawan di BMC, kawan-kawan satu kos Rivai Purba dan Sahat Sihombing.
8. Teman-teman Teknik Mesin khususnya Stambuk 2010 yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah banyak memberikan bantuan serta semangat bagi penulis.
9. Adinda Ricky Purba, Efenetus, dan semua adek-adek di Teknik Mesin USU yang telah banyak memberikan doa serta semangat bagi penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.
Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurang sempurnaan dan kekeliruan 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, Agustus 2015 Penulis
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... i
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR ... ix
DAFTAR TABEL ... xii
DAFTAR NOTASI ... xiv
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan Pengujian ... 2
1.3 Batasan Masalah ... 2
1.4 Manfaat Pengujian ... 3
1.5 Metodologi Penelitian ... 3
1.6 Sistemetika Penulisan ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Bahan Bakar Hidrokarbon ... 5
2.1.1 Bahan Bakar Diesel ... 5
2.1.2 Karakteristik Bahan Bakar Diesel(Solar) ... 6
2.2 Bahan Bakar Gas ... 8
2.2.1 Sejarah Biogas ... 9
2.2.2 Defenisi Biogas ... 10
2.2.3 Karakteristik Bahan Bakar Biogas ... 10
2.2.4 Nilai Kalor Biogas ... 12
2.2.5 Pemurnian Biogas( Puarifikasi Biogas) ... 13
2.2.6 Proses Pembuatan Biogas ... 14
2.3 Sistem Dua Bahan Bakar (Dual Fuel System) ... 16
2.4 Mesin Diesel ... 16
2.4.1 Prinsip Kerja Mesin Diesel ... 19
2.4.2 Performansi Mesin Diesel ... 20
2.5 Generator ... 25
2.6 Emisi Gas Buang ... 26
2.6.1 Sumber ... 27
2.6.2 Komposisi Kimia ... 28
2.6.3 Bahan Penyusun ... 28
2.7 Proses Pembakaran dan Bahan Bakar ... 30
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat ... 34
3.2 Alat dan Bahan ... 34
3.2.1 Alat ... 34
3.2.2 Bahan.... ... 45
3.3 Metode Pengumpulan data ... 45
3.4 Metode Pengolahan data ... 45
3.5 Pengamatan dan Tahap Pengujian ... 46
3.6 Prosedur Perakitan ... 46
3.7 Prosedur Pengujian Prestas Mesin Diesel dan Mesin Dual Fuel .. 47
3.8 Diagram Alir Penelitian ... 49
3.9 Prosedur Pengujian Emisi Gas Buang ... 50
3.10 Set Up Alat ... 51
4.1.1 Daya yang dihasilkan menggunakan Bahan Bakar
Solar Murni ... 53 4.1.2 Daya yang Dihasilkan menggunakan Bahan Bakar Solar
Murni + 2 l/min Biogas ... 55 4.1.3 Daya yang Dihasilkan menggunakan Bahan Bakar Solar
Murni + 4 l/min Biogas ... 56 4.1.4 Daya yang Dihasilkan menggunakan Bahan Bakar Solar
Murni + 6 l/min Biogas ... 57 4.2 Torsi ... 62
4.2.1 Torsi yang Dihasilkan Menggunakan Bahan Bakar Solar Murni ... 62 4.2.2 Torsi yang Dihasilkan Menggunakan Bahan Bakar Solar
Murni + 2 l/min Biogas ... 63 4.2.3 Torsi yang Dihasilkan Menggunakan Bahan Bakar Solar
Murni + 4 l/min Biogas ... 65 4.2.4 Torsi yang Dihasilkan Menggunakan Bahan Bakar Solar
Murni + 6 l/min Biogas ... 66 4.3 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC) ... 70 4.3.1 Perhitungan SFC Menggunakan Bahan Bakar Solar Murni . 71 4.3.2 Perhitungan SFC Menggunakan Bahan Bakar Solar
Murni + 2 l/min Biogas ... 72 4.3.3 Perhitungan SFC Menggunakan Bahan Bakar Solar
Murni + 4 l/min Biogas ... 74 4.3.4 Perhitungan SFC Menggunakan Bahan Bakar Solar
Murni + 6 l/Min Biogas ... 75 4.4 Efisiensi Thermal Brake ... 81
4.4.1 Efisiensi Thermal Brake Menggunakan Bahan Bakar
Solar Murni ... 81 4.4.2 Efisiensi Thermal Brake Menggunakan Bahan Bakar
4.4.3 Efisiensi Thermal Brake Menggunakan Bahan Bakar
Solar Murni + 4 l/min Biogas ... 84 4.4.4 Efisiensi Thermal Brake Menggunakan Bahan Bakar
Solar Murni + 6 i/min Biogas ... 85 4.5 Rasio Udara Bahan Bakar (AFR) ... 90
4.5.1 Perhitungan AFR Menggunakan Bahan Bakar Solar
Murni ... 90 4.5.2 Perhitungan AFR Menggunakan Bahan Bakar Solar
Murni + 2 l/min Biogas ... 93 4.5.3 Perhitungan AFR Menggunakan Bahan Bakar Solar
Murni + 4 l/min Biogas ... 94 4.5.4 Perhitungan AFR Menggunakan Bahan Bakar Solar
Murni + 6 l/min Biogas ... 95 4.6 Brake Mean Effective Preasure ... 101
4.6.1 Besarnya bmep pada bahan bakar solar murni ... 101 4.6.2 Besarnya bmep pada bahan bakar solar murni + 2 l/min
Biogas ... 102 4.6.3 Besarnya bmep pada bahan bakar solar murni + 4 l/min
Biogas ... 103 4.6.4 Besarnya bmep pada bahan bakar solar murni + 6 l/min
Biogas ... 105 4.6 Emisi Gas Buang ... 108 4.7 Tinjauan Nilai Ekonomis ... 113
4.7.1 Tinjauan Nilai Ekonomis Menggunakan Bahan Bakar
Solar Murni ... 113 4.7.2 Tinjauan Nilai Ekonomis Menggunakan Bahan Bakar
Solar Murni + 2 l/min Biogas ... 115 4.7.3 Tinjauan Nilai Ekonomis Menggunakan Bahan Bakar
Solar Murni + 4 l/min Biogas ... 116 4.7.4 Tinjauan Nilai Ekonomis Menggunakan Bahan Bakar
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan ... 121
5.2 Saran ... 122
DAFTAR PUSTAKA ... xv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Proses Penyulingan Minyak ...5
Gambar 2.2 Pemurnian Biogas ...13
Gambar 2.3 Proses Pembuatan Biogas...14
Gambar 2.4 Mesin Dengan Sistem Dua Bahan Bakar ...16
Gambar 2.5 Diagram P-V Mesin Diesel ...18
Gambar 2.6 Diagram T-S Mesin Diesel ...18
Gambar 2.7 Prinsip Kerja Mesin Diesel ...19
Gambar 2.8 Skema Operasi Dynamometer ...22
Gambar 2.9 Generator ...25
Gambar 2.10 Standar Uji Emisi Gas Buang...27
Gambar 2.11 Grafik Tekanan vs Sudut Engkol ...30
Gambar 2.12 Hidrokarbon Rantai Lurus ...32
Gambar 2.13 Alpha-methylnaphtalene ...32
Gambar 3.1 Tiger Diesel Engine R175 AN ...34
Gambar 3.2 Syncronous Generators Single Phase AC ...35
Gambar 3.3 Engine Smoke meter dan Gas Analyzer...36
Gambar 3.4 Thermocouple Thermometer ...37
Gambar 3.5 Tachometer ...38
Gambar 3.6 Multi meter ...39
Gambar 3.7 Tabung Penhyimpanan Biogas ...40
Gambar 3.9 Flowmeter Gas ...40
Gambar 3.10 Stop watch ...41
Gambar 3.11 Manometer ...41
Gambar 3.12 Selang Bertekanan ...42
Gambar 3.13 Rangkaian Lampu ...42
Gambar 3.14 Alat Perbengkelan ...43
Gambar 3.15 V-Belt dan Pulley ...43
Gambar 3.16 Panel Listrik ...44
Gambar 3.17 Kompresor ...44
Gambar 3.18 Selenoid Valve ...45
Gambar 3.19 Diagram Alir Pengujian Performansi Mesin Diesel ...49
Gambar 3.20 Diagram Alir Pengujian Emisi Gas Buang ...50
Gambar 3.21 Set Up Alat Pengujian ...51
Gambar 3.22 Set Up alat pengujian Performansi mesin ...52
Gambar 4.1 Grafik Daya vs RPM Tiap Bahan Bakar pada Beban 600 Watt ...59
Gambar 4.2 Grafik Daya vs RPM Tiap Bahan Bakar pada Beban 900 Watt ...59
Gambar 4.3 Grafik Daya vs RPM Tiap Bahan Bakar pada Beban 1200 Watt ...60
Gambar 4.4 Grafik Daya vs RPM Tiap Bahan Bakar pada Beban 1500 Watt ...61
Gambar 4.5 Grafik Torsi vs RPM pada Beban 600 Watt ...67
Gambar 4.6 Grafik Torsi vs RPM pada Beban 900 Watt ...68
Gambar 4.7 Grafik Torsi vs RPM pada Beban 1200 Watt ...69
Gambar 4.9 Grafik SFC vs RPM pada Beban 600 Watt ...77
Gambar 4.10 Grafik SFC vs RPM pada Beban 900 Watt ...78
Gambar 4.11 Grafik SFC vs RPM pada Beban 1200 Watt ...79
Gambar 4.12 Grafik SFC vs RPM pada Beban 1500 Watt ...80
Gambar 4.13 Grafik Efisiensi Thermal vs RPM pada Beban 600 Watt ...87
Gambar 4.14 Grafik Efisiensi Thermal vs RPM pada Beban 900 Watt ...88
Gambar 4.15 Grafik Efisiensi Thermal vs RPM pada Beban 1200 Watt ...88
Gambar 4.16 Grafik Efisiensi Thermal vs RPM pada Beban 1500 Watt ...89
Gambar 4.17 Grafik AFR vs RPM pada Beban 600 Watt ...97
Gambar 4.18 Grafik AFR vs RPM pada Beban 900 Watt ...98
Gambar 4.19 Grafik AFR vs RPM pada Beban1200 Watt ...99
Gambar 4.20 Grafik AFR vs RPM pada Beban 1500 Watt ...100
Gambar 4.21 Grafik bmep vs Putaran pada pembebanan 600 Watt ...106
Gambar 4.22 Grafik bmep vs Putaran pada pembebanan 900 Watt ...107
Gambar 4.23 Grafik bmep vs Putaran pada pembebanan 1200 Watt ...107
Gambar 4.24 Grafik bmep vs Putaran pada pembebanan 1500 Watt ...108
Gambar 4.25 Grafik Nilai Ekonomis vs RPM pada Beban 600 Watt ...118
Gambar 4.26 Grafik Nilai Ekonomis vs RPM pada Beban 900 Watt ...118
Gambar 4.27 Grafik Nilai Ekonomis vs RPM pada Beban 1200 Watt ...119
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Spesifikasi Minyak Solar sesuai keputusan Dirjen Migas ... 8
Tabel 2.2 Komposisi Kandungan Biogas ... 11
Tabel 2.3 Sifat Fisik Biogas ... 11
Tabel 2.4 Nilai lhv biogas tiap % CH4 yang dikandungya ... 12
Tabel 4.1 Hasil Perhitungan Daya Untuk Bahan Bakar Solar Murni ... 54
Tabel 4.2 Hasil Perhitungan Daya Untuk Bahan Bakar Solar Murni + 2 l/min Biogas ...55
Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Daya Untuk Bahan Bakar Solar Murni + 4 l/min Bio ...56
Tabel 4.4 Hasil Perhitungan DayaUntuk Bahan Bakar Solar Murni + 6 l/min Biogas ...58
Tabel 4.5 Hasil Perhitungan Torsi Untuk Bahan Bakar Solar Murni ...63
Tabel 4.6 Hasil Perhitungan Torsi Untuk Bahan Bakar Solar Murni + 2
Tabel 4.9 Perhitungan SFC Menggunakan Bahan Bakar Solar Murni ...71
Tabel 4.10 Perhitungan SFC Menggunakan Bahan Bakar Solar Murni + 2
Tabel 4.13 Hasil Perhitungan Efisiensi Thermal Brake Menggunakan Bahan Bakar Solar Murni ...82
Tabel 4.15 Hasil Perhitungan Efisiensi Thermal Brake Menggunakan Bahan
Bakar Solar Murni + 4 l/min Biogas ...84
Tabel 4.16 Hasil Perhitungan Efisiensi Thermal Brake Menggunakan Bahan Bakar Solar Murni + 6 l/min Biogas ...86
Tabel 4.17 Hasil Perhitungan AFR untuk Bahan Bakar Solar Murni ...92
Tabel 4.18 Hasil Perhitungan AFR untuk Bahan Bakar Solar Murni + 2
Tabel 4.21 Besarnya bmep pada bahan bakar solar murni...101
Tabel 4.22 Besarnya bmep pada bahan bakar solar murni + 2 l/min Biogas ...103
Tabel 4.23 Besarnya bmep pada bahan bakar solar murni + 4 l/min Biogas ...104
Tabel 4.24 Besarnya bmep pada bahan bakar solar murni + 6 l/min Biogas ...105
Tabel 4.25 Perhitungan Emisi Gas Buang dengan Bahan Bakar Solar Murni ...109
Tabel 4.26 Perhitungan Emisi Gas Buang dengan Bahan Bakar Solar Murni + 2 l/min Biogas ...110
Tabel 4.27 Perhitungan Emisi Gas Buang dengan Bahan Bakar Solar Murni + 4 l/min Biogas ...111
DAFTAR NOTASI
SIMBOL KETERANGAN SATUAN
PB Daya Keluaran Watt
CV Nilai kalor kJ/kg
Laju aliran massa udara kg/s
Laju aliranbahanbakar kg/jam
n Putaran mesin rpm
Effisiensi termal %
Sfc Konsumsi bahan bakar spesifik g/kW.jam t Waktu pengujian 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
