Modifikasi Konverter Biogas untuk Motor Bensin

(1)

MODIFIKASI KONVERTER BIOGAS

UNTUK MOTOR BENSIN

MUHAMMAD HASAN ASY’ARI

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR

(2)

(3)

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN

SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Modifikasi Konverter Biogas untuk Motor Bensin adalah benar karya saya dengan arahan dari pembimbing (Dr Ir Desrial, MEng) dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.

Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.

Bogor, Maret 2014

Muhammad Hasan Asy’ari

(4)

ABSTRAK

MUHAMMAD HASAN ASY’ARI. Modifikasi Konverter Biogas untuk Motor Bensin. Dibimbing oleh DESRIAL.

Biogas mengandung metana hingga 60-65% yang cukup potensial untuk dijadikan bahan bakar. Biogas juga mampu menggantikan bensin sebagai bahan bakar pada motor bakar internal. Desain baru konverter biogas dibutuhkan untuk mengoptimalkan penggunaan biogas sebagai bahan bakar motor bensin. Tujuan dari penelitian ialah memodifikasi dan menguji konverter biogas. Konverter biogas ini terdiri dari venturi, selongsong venturi, choke, throttle, tabung gas dan dudukan. Desain konverter biogas yang dirancang mampu bekerja dengan mekanisme governor yang telah ada pada motor. Konverter biogas yang dirancang yaitu konverter biogas dengan tabung gas 1 (Ø 50 × 80 mm), tabung gas 2 (Ø 40 × 130 mm) dan tanpa tabung gas. Pengujian dilakukan dengan mengukur putaran motor maksimumdan debit pompa air. Berdasarkan hasil pengujian bahwa konverter biogas dengan tabung gas 1 lebih baik kinerjanya dari pada dengan tabung gas 2 atau tanpa tabung gas, sehingga dapat mengoptimalkan penggunaan biogas sebagai energi alternatif untuk menggerakan motor bakar bensin. Pompa air menghasilkan debit pompa 6.62 liter/menit pada 2390 rpm dan putaran motor maksimumnya mencapai 3390 rpm.

Kata kunci: Biogas, Energi alternatif, Motor bakar internal, Konverter biogas

ABSTRACT

MUHAMMAD HASAN ASY’ARI. Modification of Biogas Converter for Motor Gasoline Fuel. Supervised by DESRIAL.

(5)

Skripsi

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian

pada

Departemen Teknik Mesin dan Biosistem

MODIFIKASI KONVERTER BIOGAS

UNTUK MOTOR BENSIN

MUHAMMAD HASAN ASY’ARI

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN

INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR

(6)

(7)

Judul Skripsi : Modifikasi Konverter Biogas untuk Motor Bensin Nama : Muhammad Hasan Asy’ari

NIM : F14090060

Disetujui oleh

Dr Ir Desrial, MEng Pembimbing

Diketahui oleh

Dr Ir Desrial, MEng Ketua Departemen

(8)

PRAKATA

Puji serta syukur Alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT karena atas rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah

dengan judul “Modifikasi Konverter Biogas untuk Motor Bensin”.

Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada Dr Ir Desrial, MEng selaku dosen Pembimbing Akademik yang senantiasa memberikan bimbingan dan arahan kepada penulis. Terima kasih juga penulis sampaikan kepada Dr Lenny Saulia, STP MSi dan Dr Ir Dyah Wulandani, MSi selaku penguji yang telah meluangkan waktu dan memberikan arahan untuk kesempurnaan karya ilmiah ini.

Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada ayah (Samhari) dan ibu (Kasti), serta seluruh keluarga atas segala doa dan kasih sayangnya.

Penghargaan penulis sampaikan kepada Dewan pengurus beastudi Pengembangan Prestasi Akademik, beastudi Etos–Republika, beasiswa Bantuan Belajar Mahasiswa, Dewan beasiswa alumni FATETA dan beasiswa BUMN Peduli Pendidikan, serta keluarga besar Purn. TNI–AD Mayor Benny Suharyono yang terus memberi motivasi dan arahan kepada penulis, keluarga besar Padjadjaran dan Rinjani Camp yang telah banyak membantu dalam penulisan karya ilmiah ini dan keluarga besar IPB, khususnya keluarga besar Teknik Mesin dan Biosistem FATETA–IPB, serta Sri Wahyuni, SE MP dari PT Swen Inovasi Transfer yang telah membantu dalam penelitian. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada seluruh pihak yang telah membantu penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah ini. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.

Bogor, Maret 2014

(9)

DAFTAR ISI

DAFTAR GAMBAR viii

DAFTAR TABEL viii

DAFTAR GRAFIK viii

DAFTAR LAMPIRAN viii

PENDAHULUAN 1

Latar Belakang 1

Perumusan Masalah 2

Tujuan Penelitian 2

Manfaat Penelitian 2

METODE 3

Waktu dan Tempat 3

Bahan 3

Alat 3

Tahapan Penelitian 4

Identifikasi Masalah 5

Analisis Teknik 5

Tahapan Pembuatan konverter Biogas 13

Tahapan Pengujian 16

HASIL DAN PEMBAHASAN 17

Hasil Modifikasi Konverter Biogas 17

Hasil Uji Konverter Biogas 18

SIMPULAN DAN SARAN 23

Simpulan 23

Saran 24

DAFTAR PUSTAKA 24

LAMPIRAN 26

(10)

DAFTAR GAMBAR

1 Pompa air 4

2 Diagram alir modifikasi konverter biogas 4

3 Venturi 8

4 Selongsong Venturi 10

5 Choke 11

6 Throttle 11

7 Tabung gas 12

8 Dudukan 13

9 Proses pembuatan konverter biogas 14

10 Pengujian konverter biogas 16

11 Hasil rancangan modifikasi konverter biogas 17

12 Jenis konverter biogas yang diuji 18

13 Hasil uji tiap jenis konverter biogas 19

14 Hasil uji konverter biogas tabung 1 dan karburator bensin 22

DAFTAR TABEL

1 Spesifikasi pompa air yang digunakan 4

2 Spesifikasi motor bensin yang digunakan 8

3 Data perbandingan perlakuan spraying 21

4 Data jangkauan semprot 22

DAFTAR LAMPIRAN

1 Perhitungan rasio biogas–udara 26

2 Reaksi pembakaran biogas dengan excess air 27

3 Perhitungan ukuran dan jumlah lubang port biogas, serta hasil uji 30

4 Analisis teknik venturi 33

5 Perhitungan laju aliran dan intake volumetrik satu kali intake 35

6 Perhitungan tekanan pada intake manifold 36

7 Perhitungan tekanan pada port 38

8 Analisis teknik tabung gas 40

9 Analisis luas alas selang dan penentuan ukuran keran 41

10 Peritungan tekan pada socket 42

11 Peritungan tekan pada tabung gas 43

12 Rincian anggaran biaya pembuatan satu unit konverter biogas 45

13 Gambar teknik 46

14 Data hasil pengujian 47

15 Pebandingan perubahan kecepatan pada tabung 1 dan tabung 2 52

(11)

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Kebutuhan energi di masyarakat saat ini terus meningkat seiring dengan terus bertambahnya jumlah penduduk. Sumber energi utama saat ini yaitu energi fosil yang terus mengalami penurunan produktivitas dan cadangannya yang semakin menipis. Untuk mengatasi hal ini, maka pencarian berbagai alternatif energi baru harus dilakukan. Salah satu sumber energi yang cukup menjanjikan adalah biogas. Biogas merupakan gas hasil aktivitas mikroba secara anaerobik pada sisa-sisa biomassa yang sudah tidak dimanfaatkan lagi. Jenis biomassa di antaranya kotoran ternak, sampah sisa rumah tangga, dedaunan dan sisa tumbuhan, serta masih banyak lagi produk lainnya. Umumnya biogas ini diproduksi pada biodigester yang berfungsi mereaksikan dan mengumpulkan biogas hasil reaksi.

Secara umum, biogas mengandung 60–65% gas metana (Harikishan 2008). Nilai ini adalah nilai yang cukup menggiurkan untuk menggunakan biogas sebagai sumber energi alternatif. Salah satu bentuk penggunaan biogas sebagai sumber energi adalah menggunakannya sebagai bahan bakar pada motor pembakaran internal (internal combustion engine). Motor-motor yang ada saat ini kebanyakan beroperasi dengan bahan bakar bensin (spark ignition engine, SI, Otto) ataupun diesel (compression ignition engine, CI, Diesel).

Bahan bakar bensin dan biogas memiliki beberapa perbedaan. Perbedaan itu meliputi fase, komposisi dan nilai kalornya. Fase bensin ialah cair pada suhu ruang, sedangkan fase biogas ialah gas. Bensin merupakan bahan bakar hasil penyulingan minyak bumi yang secara umum terdiri dari heptana dan oktana dan diproses melalui teknologi yang mutakhir sehingga kemurniannya terjamin. Sedangkan biogas ialah gas hasil fermentasi zat-zat organik pada digester sederhana dan tidak melalui proses pemurnian, akibatnya masih banyak zat-zat yang tidak diharapkan terkandung di dalam biogas, seperti karbon dioksida, uap air dan gas-gas lainnya (United Nations 1988 dalam Wahyuni 2011). Komposisi biogas yang beraneka ragam menyebabkan perbedaan nilai kalor yang cukup signifikan antara biogas dan bensin. Kandungan energi pada biogas berkisar 6400–6600 atau setara 26.8–27.6 (Wahyuni 2011). Nilai kalor biogas sangat bergantung pada jumlah metana yang dikandung biogas tersebut, secara umum hanya 0.8 liter bensin dengan kandungan energi bensin yang berkisar 33.5–34.5 (United Nations 1988 dalam Wahyuni 2011). Perbedaan nilai kalor ini akan berakibat pada perbedaan rasio campuran udara-bahan bakar yang tepat.

(12)

2

bahan bakar biogas karena perbedaan-perbedaan yang ada, seperti fase bahan yang berbeda, komposisi yang berbeda, serta rasio campuran yang berbeda, maka bagian pengganti karburator sebagai pencampur bahan bakar dan udara dengan menggunakan bahan bakar biogas pada motor bensin disebut sebagai konverter biogas. Motor bensin supaya mampu bekerja secara optimal dengan menggunakan bahan bakar biogas, maka suatu rancangan konverter biogas harus dibuat agar memenuhi kriteria-kriteria yang dimiliki biogas.

Penelitian ini adalah penelitian pengembangan yang dilakukan oleh Desrial dan Pranayuda (2012) mengenai desain karburator bahan bakar biogas untuk motor bakar bensin bersilinder tunggal, serta sudah ada penelitian pendahulu yang dilakukan oleh Pranayuda (2013) tentang rancang bangun karburator biogas untuk motor bensin. Penelitian ini difokuskan pada kegiatan modifikasi konverter biogas untuk penyempurnaan kinerja dari prototipe yang dirancang sebelumnya dan perlakuan pengujian untuk aplikasi di lapangan.

Perumusan Masalah

Masalah dari penelitian sebelumnya masih terdapat kekurangan dari segi struktural dalam meningkatkan kinerja konverter biogas dan belum teruji kemampuan kinerjanya untuk penerapan di lapangan pada mesin budidaya pertanian yang salah satunya pada motor bakar yang digunakan untuk menggerakan pompa air. Permasalahan utama kurangnya kinerja konverter biogas sebelumnya selain dari segi struktural ialah tidak lancarnya aliran biogas sebagai bahan bakar yang misalnya ketika throttle terbuka mendadak, sehingga menyebabkan pembakaran yang tidak stabil dan menurunkan kinerja mesin.

Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah memodifikasi konverter biogas rancangan sebelumnya untuk mengoptimalkan penggunaan biogas sebagai bahan bakar motor bensin dan merealisasikannya dalam bentuk prototipe, serta menguji kinerja konverter biogas hasil rancangan untuk mesin budidaya pertanian yang salah satunya pompa air danmembandingkan hasil pengujian kinerjanya dengan motor berbahan bakar bensin.

Manfaat Penelitian

(13)

3

METODE

Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Mei hingga Oktober 2013. Studi pustaka, pembuatan konsep desain dan gambar kerja dilakukan pada bulan Mei–Juli 2013. Pembuatan alat dan pengujian dari bulan Agustus– Oktober 2013. Selang waktu tersebut juga digunakan untuk perbaikan dan penyempurnaan prototipe.

Tempat pembuatan dan uji lapang alat dilaksanakan di Laboratorium Lapangan Siswadhi Soepardjo, serta uji coba alat dilakukan di laboratorium Motor Bakar Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.

Bahan

Bahan yang digunakan untuk penelitian ini adalah batang alumunium pejal Ø 32 mm, plat alumunium tebal 5 mm, pipa alumunium Ø 35 × 3 mm, pipa alumunium Ø 50 × 5 mm, pipa alumunium Ø 58 × 4 mm, pipa alumunium Ø 10 × 1 mm, pipa alumunium Ø 5.5 × 1 mm, niple kuningan 1/4 inci, socket stainlees steel 1/4 inci, lem besi, serbuk alumunium, air dan biogas (60% metana).

Alat

Alat dan instrument yang digunakan dalam penelitian ini adalah software solidwork untuk pembuatan model, software microsoft excel untuk perhitungan data, peralatan bengkel, mesin bubut, gerinda, mesin bor duduk (mesin milling), gergaji, las alumunium, jangka sorong, analoge tacho meter, pompa air (Gambar 1), motor bensin dan kantong biogas (ukuran 1 m3). Spesifikasi pompa yang digunakan dapat dilihat pada Tabel 1.

Tabel 1 Spesifikasi pompa air yang digunakan

Spesifikasi Keterangan

Merk/tipe Sanchin SC30

Jumlah plunger 2 buah

Debit maksimal 30 liter/menit

Tekanan pompa 0–40 kg/cm2

Putaran pompa 600–800 rpm

Diameter nozel 1.5 mm

Kapasitas nozel 4–7.5 liter/menit

Tekanan nozel 20 kg/cm2

(14)

4

Gambar 1 Pompa air

Tahapan Penelitian

Secara umum tahapan-tahapan dalam modifikasi konverter biogas dapat dilihat pada Gambar 2.

Gambar 2 Diagram alir modifikasi konverter biogas Ya

Mulai

Identifikasi Masalah

Analisis Teknik

Tidak Laya

Gambar Kerja Konverter Biogas Pembuatan Prototipe Konverter Biogas

Uji Fungsional dan Kinerja

Selesai

Tahap 1

Tahap 2

Tahap 3

Tahap 4 Tipe Motor,

Kapasitas, Daya, Dimensi Karakteristik dan

Komposisi Biogas

(15)

5

Identifikasi Masalah

Pada rancangan konverter biogas sebelumnya terdapat beberapa permasalahan seperti yang dituturkan Pranayuda (2013:40-41).

“... Bentuk venturi yang dibuat cenderung membentuk sudut dan tidak

membentuk kurva yang sempurna. Hal ini terjadi akibat keterbatasan alat – alat yang ada. Selain itu permukaan bagian dalam venturi tidak sehalus yang direncanakan pada gambar kerja ...”.

“... Hasil bubut pada bagian dalam venturi ternyata kasar, tidak sesuai dengan

gambar kerja yang dibuat. .... Hasil yang kurang baik juga terdapat cekungan di kedua sisi selongsong. Cekungan ini kurang rapi akibat pembuat yang kurang terampil dalam menggunakan gerinda tangan. Selain itu, kekurangan juga terdapat pada pemasangan penahan choke dan sekrup tanpa beban. Penahan ini dipasang hanya menggunakan lem. Hasil pemasangan ini sebetulnya tidak terlalu kuat mengingat resiko yang mungkin terjadi pada karburator seperti terjatuh tiba – tiba, tertekan, atau resiko lain sejenisnya ...”.

“... Masalah pada choke dan throttle terutama terjadi pada material yang

digunakan. Material yang digunakan pada batang choke dan throttle terbuat dari besi beton yang mudah berkarat. Padahal seperti yang diketahui bahwa biogas mengandung H2S yang bersifat sangat korosif. .... Bentuk piringan choke dan

throttle yang dibuat pun kurang rapi. Hal ini terjadi karena sangat sulit untuk membentuk piringan yang berukuran kecil dengan peralatan yang tersedia. Setelah melalui pengujian fungsional ternyata throttle tidak berfungsi sesuai dengan yang diharapkan. Rpm maksimum diperoleh pada kondisi throttle

setengah terbuka bukan saat terbuka penuh dan akan turun kembali apabila

dibuka lebih jauh ...”.

“... Dudukan yang dibuat telah sepenuhnya sesuai dengan gambar kerja dan

dibuat. Permasalahan yang terjadi terletak pada kekuatan bahan yang digunakan. Dudukan yang terbuat dari bahan aluminium dengan ketebalan 5 mm ini ternyata mengalami deformasi setelah beberapa kali dibongkar dan dipasang pada motor. Deformasi ini terjadi akibat dudukan tidak mampu menahan gaya yang terjadi dari baut pengencang ...”.

Selain hal tersebut, masalah ketika melakukan pengujian ialah terjadi kekurangan aliran biogas sebagai bahan bakar pada saat terjadi pembukaan throttle secara tiba-tiba, hal ini diakibatkan karena tidak adanya mekanisme pembantu untuk mepertahankan aliran biogas sesuai kebutuhan, sehingga konverter biogas langsung mengambil dari kantung utama biogas yang menyebakan konverter biogas mengalami penurunan kinerja dalam mengalirkan bahan bakar dan pembakaran pada mesin pun tidak stabil. Pranayuda (2013:50) menyatakan “... rasio campuran berubah drastis seiring berubahnya rpm akibat rasio luas penampang yang tidak sesuai. Rasio campuran yang berubah inilah yang menyebabkan motor tidak mampu menahan beban akibat suplai campuran yang tidak sesuai untuk terjadinya pembakaran yang baik ...”.

Analisis Teknik

(16)

6

Kriteria Rancangan Modifikasi

Konverter biogas yang dimodifikasi merupakan desain baru yang berbeda dengan karburator asli yang digunakan pada motor Honda GX160. Beberapa kriteria yang diharapkan dalam modifikasi konverter biogas ini meliputi:

a. Mampu mengalirkan biogas dengan stabil, sehingga motor mampu beroperasi dengan menggunakan bahan bakar biogas; b. Ukuran konverter biogas sesuai dengan ruang yang tersedia

pada motor, sehingga tidak memerlukan perubahan dimensi apapun pada motor, kecuali penggantian karburator bensin; c. Dapat bekerja dengan mekanisme governor pada motor;

d. Dapat dengan mudah dilepas dari motor, sehingga memudahkan apabila motor diperlukan untuk beroperasi dengan karburator bensin;

e. Dapat dengan mudah dibongkar dan dirakit kembali, sehingga memudahkan maintenance (repair and service) konverter biogas, seperti pembersihan, penggantian spare part dan lainnya;

f. Tidak mengganggu kelancaran langkah dari motor;

Rancangan Fungsional

Berdasarkan kriteria rancangan modifikasi di atas, konverter biogas mempunyai bagian utama yang terdiri dari venturi, selongsong venturi, choke, throttle, tabung gas dan dudukan. Berikut adalah bagian utama konverter biogas dan fungsinya, antara lain:

a. Venturi

Venturi merupakan bagian utama dari konverter biogas. Di dalam venturi ini terjadi proses pencampuran antara biogas dan udara dengan rasio yang telah ditentukan. Venturi ini harus mampu menyalurkan campuran biogas dan udara ke dalam silinder tanpa mengalami kebocoran. Venturi juga harus mampu menjaga tekanan saat proses intake pada silinder, karena tekanan inilah yang menyebabkan udara dan bahan bakar akan terhisap dan tercampur di dalam venturi. Dimensi venturi juga harus disesuaikan dengan dimensi dari motor yang digunakan. Diameter lubang venturi juga disesuaikan dengan ukuran lubang filter udara dan lubang intake manifold, sehingga aliran yang dihasilkan tidak terganggu.

b. Selongsong venturi

(17)

7 c. Choke

Choke merupakan sebuah katup yang terdapat pada mulut karburator. Choke berfungsi untuk mengurangi tekanan di dalam venturi yang berakibat pada jumlah bahan bakar yang masuk akan semakin besar karena perbedaan tekanan yang semakin besar. Choke digunakan pada saat-saat tertentu yang membutuhkan rasio campuran bahan bakar dan udara yang lebih kaya, misalnya saat motor berada dalam kondisi dingin. Dalam kondisi ini dibutuhkan rasio campuran yang lebih kaya dari keadaan normal, sehingga choke biasanya ditutup agar terjadi penurunan tekanan yang lebih besar pada venturi. Penurunan ini menyebabkan perbedaan tekanan antara aliran bahan bakar dan venturi semakin besar. Hal tersebut yang akhirnya membuat bahan bakar terhisap lebih banyak dan dihasilkan campuran yang lebih kaya. Tetapi, setelah motor berhasil dinyalakan dan stabil, choke kembali dibuka untuk mencegah konsumsi bahan bakar berlebih dan emisi yang tidak baik.

d. Throttle

Throttle merupakan sebuah katup yang secara fisik mirip dengan choke. Fungsi utama dari throttle ialah mengatur aliran campuran bahan bakar dan udara ke dalam silinder. Aliran campuran ini akan berpengaruh pada daya motor dan putaran motor yang dihasilkan. Throttle diletakkan setelah leher venturi, sedangkan choke diletakkan sebelum leher venturi. Throttle memiliki tuas yang terhubung dengan tuas pengatur throttle pada motor dan governor. Tuas ini berfungsi mengatur bukaan throttle pada konverter biogas dan menjaga putaran motor tetap stabil meski beban yang diterima motor berfluktuasi. e. Tabung gas

Tabung gas merupakan bagian seperti float chamber pada karburator bensin yaitu menyimpan dan menjaga kestabilan aliran bahan bakar. Berbentuk tabung karena bentuk tabung lebih stabil sebagi wadah fluida. Tutup tabung membentuk kurva dan terdapat niple pada kedua tutupnya sebagai inlet dan outlet bahan bakar gas. Fungsi utama tabung gas dalam konverter biogas adalah sebagai penampung gas untuk menjaga supaya aliran bahan bakar tetap mencukupi apabila dibutuhkan gas ketika misalnya terjadi pembukaan throttle yang mendadak.

f. Dudukan

Dudukan merupakan bagian yang menghubungkan konverter biogas dengan motor dan saringan udara serta menjaga agar konverter biogas tetap diam pada tempatnya. Dudukan memiliki dua buah

(18)

8

Rancangan Struktural

a. Venturi

Venturi dirancang sesuai dengan kapasitas dan karakteristik motor yang digunakan. Spesifikasi motor bensin yang digunakan dapat dilihat pada Tabel 2.

Tabel 2 Spesifikasi motor bensin yang digunakan

Spesifikasi Keterangan

Merk/tipe Honda GX160

Bahan bakar Bensin

Langkah 4

Jumlah silinder/isi 1/163

Tipe pengapian Transistorized magneto Sumber: Honda (2011)

Biogas yang digunakan ialah biogas dari kotoran sapi, maka campuran udara-bahan bakar yang tepat secara stoikiometrik pembakaran ideal untuk biogas dengan kadar metana 60% ialah sebesar 1:5.74 (Pranayuda 2013). Perhitungan teoritis dapat dilihat pada Lampiran 1 dan perhitungan stoikiometrik dengan excess air sebesar 1:6.14 yang lebih rinci dapat dilihat pada Lampiran 2. Perbedaan kebutuhan udara dari kedua rasio stoikiometrik tersebut sebesar 0.4 m3 udara sebagai udara tambahan untuk pembakaran.

Membuktikan rasio campuran udara–biogas yang tepat maka konverter biogas harus bisa diuji dengan kisaran rasio udara–bahan bakar yang cukup besar, sehingga akomodasi hal ini, lubang port biogas dibuat dengan diameter 3 mm sebanyak 2 buah yang berada di leher venturi (Pranayuda 2013). Analisis hal tersebut dapat dilihat pada Lampiran 3. Lubang port ditempatkan pada samping leher venturi seperti yang terlihat pada Gambar 3.

a.Gambar teknik tampak depan section b. Foto hasil Gambar 3 Venturi

(19)

9 tidak melebihi batas tersebut, maka harus dihitung laju intake volumetric menggunakan Persamaan 1 (Siripornakarachai 2007):

hambatan berlebih karena adanya venturi. Diameter leher venturi dibuat sama dengan diameter karburator asli motor Honda GX160, yaitu sebesar 10 mm. Memastikan kecepatan aliran udara di dalam venturi tidak melebihi batas, maka kecepatan dihitung dengan Persamaan 2 (Mitzlaff 1988).

(2)

Dimana: = Kecepatan aliran udara pada leher venturi (m/s) = Laju intake volumetrik (m3/s)

= Luas penampang leher venturi (m2/s)

Luas penampang leher venturi dapat dihitung menggunakan Persamaan 3 (Mitzlaff 1988).

(3)

Dimana: = Luas penampang leher venturi (m2/s)

= diameter leher venturi (m)

Menggunakan asumsi putaran motor maksimum sebesar 3600 rpm dan diameter leher venturi sebesar 10 mm, didapatkan laju intake volumetric motor sebesar ⁄ dan kecepatan udara pada leher venturi sebesar , atau dalam 1 kali intake ialah

_⁄ _dan_{yang artinya desain konverter}

biogas ini masih layak untuk dibuat. Perhitungan yang lebih jelas dapat dilihat pada Lampiran 4 dan 5. Tekanan pada leher manifold pun terhitung sebesar seperti perhitungan pada Lampiran 6 dan tekanan pada port yaitu sebesar dengan perhitungan pada Lampiran 7.

(20)

10

Konverter biogas yang baik harus memiliki venturi dengan kurva berjari-jari 40 mm dan sudut diffuser cone sebesar 10 derajat (Siripornakarachai 2007). Permukaan hasil proses pemesinan juga harus diperhatikan dalam pembuatan venturi. Bagian dalam venturi dibuat sehalus mungkin agar aliran fluida tidak mengalami hambatan yang terlalu besar. Bagian luar venturi pun dibuat halus agar memudahkan pemasangan selongsong saat dirakit. Untuk mengantisipasi kebocoran dapat dipasang o-ring seal ukuran 30 mm × 1.5 mm atau dilem seal.

b. Selongsong venturi

Panjang selongsong venturi seperti pada Gambar 4 dibuat sebesar 44 mm, 10 mm lebih kecil dari panjang venturi. Sisa 10 mm ini digunakan oleh dua buah dudukan yang tiap dudukan memiliki ketebalan 5 mm dan pada titik tengah selongsong venturi terdapat niple 1/4 inci sebagai penghubung pasokan gas dari tabung gas ke venturi. Bagian sekrup tanpa beban berukuran M3×1.25 dan penahan choke disesuaikan tinggi tuas.

a. Gambar teknik tampak depan b. Foto hasil Gambar 4 Selongsong venturi

c. Choke

Chokememiliki beberapa komponen yang terdiri dari piringan choke, batang choke, tuas choke dan baud pengencang. Bagian ini dirakit bersama menjadi satu kesatuan fungsional.

(21)

11 bercampur serbuk alumunium, sedangkan piringan dipasang dengan cara dikencangkan dengan sekrup M3×1.25. Choke yang dirancang dapat dilihat pada Gambar 5.

a. Gambar teknik tampak samping b. Foto hasil Gambar 5 Choke

d. Throttle

Secara umum, throttle (Gambar 6) sangat mirip dengan choke dalam hal fungsional maupun struktural. Piringan throttle dibuat sesuai dengan diameter lubang belakang konverter biogas yaitu sebesar 18 mm. Throttle dikencangkan pada batang throttle dengan sekrup dengan ukuran yang sama dengan choke, yaitu M3×1.25. Batang throttle dibuat sepanjang 38 mm. Tuas throttle pun dibuat semirip mungkin dengan tuas throttle karburator bensin secara fungsional agar mampu bekerja dengan mekanisme governor pada motor.

a. Gambar teknik tampak samping b. Foto hasil Gambar 6 Throttle

e. Tabung Gas

(22)

12

aliran bahan bakar yang mencukupi, maka tabung gas dapat memenuhi kebutuhan bahan bakar tanpa mengambil langsung dari kantung utama. Tabung gas yang dirancang seperti pada Gambar 7.

a. Gambar teknik tabung 1 b. Gambar teknik tabung 2

c. Foto hasil tabung gas 1 d. Foto hasil tabung gas 2

Gambar 7 Tabung gas

(23)

13 Tutup tabung yang berbentuk kurva dan penempatan niple pada kedua ujungnya dimaksudkan supaya mengurangi hambatan dan pasokan gas lebih stabil. Pada tabung gas terdapat juga socket dan keran dengan ukuran 1/4 inci (analisis ukuran keran pada Lampiran 9) karena keran dan niple yang berukuran 1/4 inci mempunyai luas penampang yang lebih besar dari luas port pada venturi, sehingga aliran gas tidak terhambat. Tekanan pada socket yaitu sebesar

seperti perhitungan pada Lampiran 10, sedangkan

kehilangan tekanan pada tabung gas 1 yaitu dan pada tabung gas 2 sebesar seperti yang telah diperhitungkan pada Lampiran 11.

f. Dudukan

Dudukan dibuat dari plat aluminium dengan ketebalan 5 mm seperti pada Gambar 18. Dudukan memiliki 3 buah lubang. Lubang pertama di tengah berukuran 28 mm dan disambungkan langsung dengan venturi. Dua lubang lainnya berukuran 7 mm dan berada di sisi luar dudukan. Khusus untuk dudukan yang dihubungkan langsung dengan leher manifold, lubang bautnya dibuat 8 mm sesuai dengan ukuran filet baut pada motor. Lubang–lubang ini dipasangkan pada baut pengencang konverter biogas. Jarak pusat ke pusat dua lubang ini ialah sebesar 44 mm agar sesuai dengan jarak baud pengencang yang ada pada motor.

a. Gambar teknik tampak depan b. Foto hasil Gambar 8 Dudukan

Tahapan Pembuatan Konverter Biogas

Berdasarkan diagram alir modifikasi pada Gambar 2, terlihat ada 4 tahapan umum dalam proses modifikasi konverter biogas. Tahap 1 dan 2 telah dijelaskan cukup rinci pada bab sebelumnya. Pada tahap 3 atau tahap pembuatan gambar kerja dan proses pembuatan prototipe biogas terdapat tahapan–tahapan yang lebih spesifik. Tahapan yang lebih spesifik dalam proses pembuatan konverter biogas diperlihatkan dalam Gambar 9.

(24)

14

Gambar 9 Proses pembuatan konverter biogas

Prototipe konverter biogas telah siap untuk dibuat apabila gambar kerja telah selesai dibuat seperti yang terlampir pada Lampiran 13. Proses pembuatan yang dilakukan ialah dimulai dengan tahap pembuatan venturi. Bahan yang digunakan adalah aluminium berbentuk silinder pejal dengan diameter 32 mm. Aluminium ini dibubut hingga membentuk venturi sesuai dengan bentuk dan dimensi yang tertera pada gambar kerja. Venturi yang dibuat harus memiliki permukaan yang halus. Hal ini dilakukan untuk mengurangi beban gesekan udara saat konverter biogas dioperasikan. Proses penghalusan ini dilakukan menggunakan kertas amplas saat benda masih berputar di mesin bubut. Setelah dibubut, venturi dilubangi tepat pada lehernya sebanyak 2 lubang dengan diameter tiap lubang sebesar 3 mm.

Tahap kedua ialah pembuatan dudukan. Dudukan dibuat menggunakan mesin milling sesuai bentuk dan dimensi pada gambar kerja. Ukuran lubang tengah dudukan harus dicek dengan dimasukkan pada ujung venturi. Koreksi diameter dapat sedikit dilakukan pada ujung venturi agar diperoleh posisi yang tepat ketika dudukan dipasang pada venturi.

Tahap ketiga ialah pembuatan selongsong venturi. Selongsong dibuat dari pipa alumunium dengan diameter 38 mm. Bagian dalam selongsong harus halus. Permukaan yang kasar dapat menyulitkan proses perakitan. Proses berikutnya ialah pemasangan lubang inlet biogas. Pemasangan ini dimulai dengan pembuatan lubang pada selongsong menggunakan bor. Pada lubang ini selanjutnya dipasang niple kuningan dan dilem besi bercampur serbuk alumunium.

Tahap keempat ialah pembuatan choke dan throttle. Pembuatan choke dan throttle dimulai dengan membentuk plat menjadi piringan berdiameter

Gambar Kerja Pembuatan Venturi Pembuatan Dudukan Pembuatan Selongsong Venturi

Pembuatan Choke dan Throttle Pembuatan lubang Choke dan Throttle

Pembuatan Tabung Gas Biogas komponen

Pengujian Fungsional dan Kinerja Perakitan

(25)

15 24 mm untuk choke dan 18 mm untuk throttle dengan menggunakan gerinda dan kikir. Di tengah piringan tersebut dilubangi dengan bor ukuran 3 mm untuk tempat baud pengencang.

Proses berikutnya yaitu membentuk batang alumunium pejal berdiameter 5 mm menjadi batang choke dan throttle. Batang ini digerinda ujungnya hingga membentuk kurva. Lalu pada bagian yang akan dipasangkan piringan, batang digerinda setengahnya sehingga penampangnya berbentuk setengah lingkaran. Hal ini bertujuan agar batang menjadi lebih ramping dan tidak mengganggu aliran udara ketika karburator dioperasikan. Di tengah bagian yang digerinda ini selanjutnya dilubangi dengan bor ukuran 2.5 mm dan dibuat ulir dengan tap ukuran M3×1.25.

Tahap berikutnya ialah pembuatan tuas choke dan throttle. Tuas dibuat menggunakan plat alumunium dengan ketebalan 5 mm. Plat alumunium ini dibentuk menggunakan gerinda, bor dan dilem agar berbentuk seperti tuas choke dan throttle pada karburator bensin. Setelah semua bagian dibuat, maka choke dan throttle dapat dirakit menjadi satu kesatuan. Tuas dan batang direkatkan menggunakan lem besi dan serbuk alumunium, sedangkan piringan dikencangkan menggunakan baud.

Tahap kelima ialah pembuatan lubang untuk choke dan throttle serta pembuatan penahan choke dan sekrup tanpa beban. Lubang ini sengaja dibuat setelah komponen lain selesai agar lubang yang dihasilkan lurus dan sejajar. Pembuatan lubang dimulai dengan merakit venturi dan selongsongnya. Venturi dirakit dengan o-ring seal dan selongsong dengan bantuan pelumas. Setelah terpasang kuat, selongsong dilubangi menggunakan bor duduk hingga menembus venturi pada posisi dan sampai pada kedalaman yang sesuai dengan gambar kerja. Setelah satu lubang dibuat, pasangkan choke atau throttle pada lubang tersebut sesuai tempatnya dan kencangkan. Pembuatan lubang lainnya dengan kondisi choke atau throttle masih terpasang kencang, sehingga posisi lubang tadi tidak berubah saat lubang kedua dibuat.

Setelah lubang dibuat, choke dan throttle dipasang dan selanjutnya dipasang pembatas choke dan sekrup tanpa beban menggunakan lem. Pembatas choke dan throttle dibuat dari plat alumunium dan pada pada pembatas throttle diberi baud yang berfungsi sebagai sekrup tanpa beban.

Tahap keenam yaitu pembuatan tabung gas yang terbuat dari pipa alumunium yang dibentuk seperti silinder dengan ditutup kedua alasnya yang membentuk kurva. Cara pembuatan tutup tabung yang berbentuk kurva yaitu dibentuk dengan cara pengelasan secara bertahap dengan las khusus alumunium shingga tutup cenderung berbentuk kurva. Pengelasan mesti dilakukan dengan hati-hati karena dapat menyebabkan perubahan bentuk, bahkan hancur. Tabung gas dibuat 2 buah dengan ukuran tabung gas 1 yaitu Ø 50 × 80 mm dan tabung gas 2 ialah Ø 40 × 130 mm. Pada kedua alas tabung gas terdapat lubang berukuran 1/4 inci yang berfungsi sebagai inlet dan outlet biogas.

(26)

16

Tahap Pengujian

Uji Fungsional

Uji fungsional dilakukan untuk mengetahui kesesuaian fungsi setiap bagian konverter biogas. Uji fungsional konverter biogas dilakukan dengan cara memasangkan konverter pada motor yang digunakan supaya dapat diketahui sesuai tidaknya prototipe dengan kriteria rancangan yang telah ditentukan pada analisis masalah.

Uji Kinerja

Pengujian konverter biogas ini diuji dengan beban kerja pompa air. Tujuan uji kinerja ini untuk menganalisis pengaruh kestabilan konverter biogas dalam mengalirkan bahan bakar biogas terhadap kestabilan putaran motor dalam menghasilkan debit dari pompa air yang digunakan dan kemudahan penyalaan motor yang ditunjukan dengan kestabilan motor ketika pada kondisi tanpa beban/langsam. Perlakuan yang dilakukan ialah dalam kisaran putaran motor (1750, 1970, 2200 rpm) dan diukur putaran motor maksimumnya. Hal ini dilakukan untuk menganalisis kemampuan konverter biogas. Pengujian lainnnya yaitu perbandingan pengujian kinerja antara penggunaan konverter biogas yang mempunyai kinerja paling baik dengan penggunaan karburator bensin. Instalasi pada saat pengujian dapat dilihat pada Gambar 10.

Keterangan:

1 Pompa air 5 Inlet pompa 2 Motor 6 Sumber air 3 Konverter biogas 7 Kantung biogas 4 Outlet pompa/Pistol nozel

Gambar 10 Instalasi pengujian konverter biogas 1

5 6

4 3

(27)

17

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil Modifikasi Konverter Biogas

Modifikasi konverter biogas secara umum telah sesuai dengan rancangan gambar kerja dan berfungsi seperti yang diharapkan. Bagian venturi dan selongsong venturi yang dibuat dapat berfungsi dengan baik dan keduanya dapat dipasang pada posisi yang tepat. Kekurangan terdapat pada pemasangan penahan choke, sekrup tanpa beban dan niple pada selongsong venturi. Penahan ini dipasang hanya menggunakan lem dikarenakan komponen penahan yang dipasang berukuran kecil dan terbuat dari alumunium sehingga jika dilakukan pengelasan mengakibatkan terjadinya perubahan bentuk pada penahan dan komponen lainnya, seperti selongsong venturi. Ketika pembuatan prototipe, pemasangan niple dengan lem dikarenakan keterbatasan alat (mata tap pipa gas ukuran 1/4 inci × 19 BSPT) yang digunakan untuk membuat ulir niple 1/4 inci jarang ada di pasaran. Penggunaan lem sebagai perekat pun tidak terlalu kuat karena kemungkinan adanya resiko yang terjadi pada konverter biogas seperti terjatuh, tertekan, atau resiko lainnya (Pranayuda 2013). Tetapi, kekurangan tadi tidak mempengaruhi fungsi penahan, niple, selongsong venturi dan kinerja konverter biogas.

Choke dan throttle dapat dipasangkan pada konverter biogas dan dapat berputar tanpa mengalami hambatan, serta secara fungsional dapat bekerja dengan baik sesuai dengan mekanisme governor, tetapi pada saat pengujian piringan throttle tidak dapat tertutup sempurna dikarenakan piringan throttle kurang presisi sehingga mengakibatkan masih adanya celah antara piringan dan dinding venturi. Hal ini disebabkan piringan yang kurang tipis dan dinding venturi yang kurang halus. Dudukan dan tabung gas yang dibuat sudah sesuai dengan ruang aman pada motor dan dapat berfungsi dengan baik. Secara umum hasil rancangan dapat dilihat pada Gambar 11.

(28)

18

Hasil Uji Konverter Biogas

Pengujian kinerja dilakukan untuk mengetahui perbedaan kinerja antar konverter biogas dan dari pengujian antar konveter biogas ini dipilih konverter biogas terbaik, serta selanjutnya dibandingkan dengan hasil uji kinerja dengan karburator bensin. Hal pertama yang dilakukan pada kegiatan pengujian ini, yaitu persiapan lokasi pengujian, peralatan dan pompa yang digunakan. Parameter yang dibandingkan antar konverter biogas, yaitu putaran motor maksimum, debit pompa berdasarkan perbedaan kisaran putaran motor penggerak (rpm), sedangkan parameter pengujian antara konverter biogas terbaik dengan karburator bensin yaitu putaran motor maksimum, debit pompa (liter/menit), jangkauan semprot dan perlakuan spraying. Pembanding tetap dari setiap pengukuran yaitu putaran motor dan waktu pengukuran, sedangkan tekanan pompa sesuai dengan spesifikasi pompa tanpa pengaturan tekanan secara khusus.

Pengujian dilakukan sebanyak 3 kali pengulangan setiap perlakuan. Pengulangan tersebut didapat satu data rata–rata setiap perlakuan per parameter. Data lengkap hasil pengujian penggunaan antar konverter biogas dan karburator bensin dapat dilihat pada Lampiran 14.

Uji Kinerja Perbedaan Jenis Konverter Biogas

Uji kinerja ini dilakukan pada konverter biogas dengan tabung 1, tabung 2 dan tanpa tabung. Tujuan dari pengujian ini dimaksudkan untuk mengetahui jenis konverter biogas yang lebih baik kinerjanya dalam mengalirkan biogas untuk bahan bakar. Parameter yang digunakan ialah putaran motor maksimum dan debit air yang dihasilkan oleh pompa berdasarkan kisaran putaran motor penggerak (rpm). Gambar 12 merupakan konverter biogas yang digunakan pada pengujian.

a. Konverter biogas tabung 1 b. Konverter biogas tabung 2

(29)

19 Dari hasil pengujian didapatkan bahwa putaran motor maksimum untuk tiap konverter biogas, yaitu untuk konverter biogas tabung 1 mencapai 3390 rpm, konverter biogas tabung 2 yaitu 3140 rpm dan konverter biogas tanpa tabung ialah 3090 rpm.

Putaran motor maksimum yang dapat dicapai terjadi akibat adanya kemampuan konverter biogas dalam mengalirkan biogas yang lebih stabil dan sesuai campuran yang dibutuhkan untuk pembakaran. Pencapaian putaran motor maksimum selain dipengaruhi oleh penurunan kemampuan konverter biogas dalam mengalirkan bahan bakar diakibatkan pula oleh komposisi biogas. Biogas mengandung zat yang tidak dibutuhkan seperti uap air, karbondioksida, hidrogen sulfida dan siloksan (Wahyuni 2011).

Putaran motor maksimum yang dapat dicapai mengindikasikan bahwa kemampuan konverter biogas tabung 1 lebih baik kinerjanya dibandingkan konverter biogas lainnya.

Gambar 13 Hasil uji tiap jenis konverter biogas

Gambar 13 menunjukan perbedaan kinerja antara penggunaan konverter biogas dengan tabung 1, tabung 2 dan tanpa tabung. Perbedaan kenaikan debit pompa dari penggunaan tiap konverter biogas tersebut menunjukan bahwa konverter biogas tabung 1 lebih baik di bandingkan konverter biogas lainnya. Kinerja yang lebih baik dari konverter biogas tabung 1 ini dibuktikan dengan hasil debit pompa yang mulai 4.55–6.47 liter/menit seiring kenaikan putaran motor pada 1750–2000 rpm. Analisis dari hasil pengujian tersebut, bahwa konverter biogas tabung 1 dapat mempertahankan kestabilan aliran biogas dibandingkan dengan konverter biogas lainnya. Kestabilan aliran biogas pada tabung 1 lebih baik ketika adanya intake yang mendadak sesuai ketersediaan cadangan biogas yang tertampung dalam tabung gas yang memenuhi kebutuhan.

Faktor-faktor yang mempengaruhi aliran fluida di dalam tabung ialah viskositas, densitas, kecepatan fluida, panjang dan diameter tabung, kekasaran tabung, aliran turbulen, belokan, serta jumlah dan jenis katup (Streeter dan Wylie 1985). Perbedaan antara konverter biogas tabung 1 dan tabung 2 ialah panjang dan diameter tabung. Tabung 2 lebih panjang 30 mm

4

1750 1900 1940 1970 2000 2150 2200

(30)

20

dan berdiameter lebih kecil 20% dibandingkan tabung 1, sehingga aliran biogas pada konverter biogas tabung 2 lebih terhambat akibat perubahan kecepatan aliran biogas dengan rasio 1:6.299 dibandingkan pada konverter biogas tabung 1 yaitu 1:7.874 (Lampiran 15). Hal ini terbukti ketika pada saat putaran motor 1970–2200 rpm, debit pompa yang dihasilkan lebih rendah 0.10–0.74 liter/menit dibandingkan debit pompa dengan konverter biogas tabung 1. Adapun konverter biogas tanpa tabung lebih tidak stabil dan mengalami keterlambatan karena ketika mengalirkan biogas langsung dari kantung utama penyimpan biogas. Hal itu pun dibuktikan ketika putaran motor 2200 rpm, debit pompa yang dihasilkan lebih rendah 16.54% dari debit pompa yang dihasilkan dengan konverter biogas tabung 1 dan 5.8% lebih rendah dari pada debit pompa yang dihasilkan dengan konverter biogas tabung 2.

Ketidak–stabilan dan keterlambatan aliran biogas yang mempengaruhi kinerja motor dan pompa, menyebabkan pula perbedaan debit pompa pada putaran motor 1750–1970 rpm dari konverter biogas tabung 2 yaitu 0.30– 0.93 liter/menit dan konverter biogas tanpa tabung pada 1750–1940 rpm ialah 0.28–0.61 liter/menit dibandingkan dengan konverter biogas tabung 1. Perbedaan debit pompa pada kondisi tersebut dikarenakan adanya kinerja pompa yang tidak kontinyu akibat ketidak-stabilan putaran, daya dan torsi motor ketika terjadi pembebanan. Kapasitas yang tidak kontinyu ini pun secara umum terjadi pada pompa desak akibat adanya gaya inersia pada plunger pompa.

Aliran biogas yang tidak stabil untuk memenuhi campuran yang dibutuhkan, mengakibatkan terlalu banyaknya udara yang masuk dan dapat menyebabkan knocking atau terganggunya kestabilan pembakaran. Kestabilan pembakaran diperlukan agar kinerja motor lebih lancar dan berdampak pada kinerja pompa dalam menyalurkan debit air secara baik, dikarenakan putaran motor inilah yang menggerakan plunger pada pompa dengan stabil pula, sehingga pompa dapat bekerja dengan baik sesuai putaran motor yang ditentukan.

Pengamatan penyalaan pertama, terjadi kesukaran penyalaan dan suara motor terdengar lebih bising pada konverter biogas tanpa tabung dibandingkan pada konverter biogas tabung 1 dan tabung 2. Secara umum pada putaran motor diatas 3000 rpm atau lebih dari putaran motor maksimum yang dapat dicapai, terjadi tekanan balik pada motor yang menyebabkan piringan throttle tertutup sendiri akibat desakan gas buang dari dalam ruang pembakaran melalui klep intake dan manifold, bahkan governor pun tidak berfungsi dengan baik. Kondisi tersebut diakibatkan campuran biogas dan udara yang tidak seimbang. Hal ini mengindikasikan bahwa untuk putaran motor diatas 3000 rpm memerlukan biogas yang lebih banyak atau campuran biogas dan udara yang dibutuhkan kurang dari 1:5.74 dan konverter biogas yang dirancang tidak tahan panas, serta panas yang terjadi berakibat pada penurunan kinerja governor. Pranayuda (2013:53)

(31)

21 muffler motor membara akibat suhu exhaust gas yang terlalu tinggi ...”.

Berdasarkan penjelasan di atas, maka konverter biogas yang direkomendasikan ialah konverter biogas dengan tabung 1. Pemilihan konverter biogas tabung 1 pun sesuai dengan kriteria rancangan yang telah ditentukan bahwa konverter biogas yang baik ialah konverter biogas yang mampu menstabilkan aliran biogas sesuai kebutuhan dan dapat bekerja sesuai dengan mekanisme governor pada motor. Berdasarkan hasil pengujian membuktikan bahwa konverter biogas yang terbaik ialah yang mampu mencapai putaran motor yang paling maksimum. Konverter biogas yang mampu mempertahankan torsi motor sesuai pembebanan dan mampu mengalirkan campuran udara dan biogas pada rasio yang cukup konstan pada semua kisaran rpm merupakan konverter biogas yang baik untuk mengoptimalkan penggunaan biogas sebagai bahan bakar pada motor bensin (Pranayuda 2013).

Perbandingan Kinerja Konverter Biogas dan Karburator Bensin

Instrument yang digunakan untuk pengujian ini ialah konverter biogas tabung 1, karburator bensin, motor bensin dan pompa air. Data perbandingan perlakuan spraying dapat dilihat pada Tabel 3.

Tabel 3 Data perbandingan perlakuan spraying

Parameter Satuan Konverter

Biogas Tabung 1

Karburator Bensin

Tekanan pompa kg/cm2 20 20

Putaran motor maksimum rpm 3390 3450

Putaran motor rpm 2390 2300

Debit spraying pompa liter/menit 6.62 6.55

(32)

22

Hasil pengujian menunjukan bahwa penggunaan konverter biogas pada putaran motor 2390 rpm menghasilkan debit pompa 6.62 l/menit dan putaran motor maksimumnya 3390 rpm, sedangkan penggunaan karburator bensin pada 2300 rpm menghasilkan debit pompa 6.55 l/menit dan putaran motor maksimumnya 3450 rpm. Hasil pengukuran diameter curah nozel terlihat hampir bernilai sama yang hanya berbeda 1–3 cm. Hal ini diakibatkan diameter basah yang tidak sama. Sedangkan pada perlakuan uji jangkauan semprot terdapat perbedaan selisih jarak sekitar 15–40 cm yang dapat dilihat pada Tabel 4. Hal tersebut disebabkan adanya faktor eksternal (kecepatan angin) yang mempengaruhi titik jatuh curah air karena hembusan angin yang cukup kencang pada saat pengujian di lapangan.

Tabel 4 Data perbandingan jangkauan semprot Konverter Biogas Tabung 1 Karburator Bensin

Putaran Motor (rpm) Jarak (meter) Putaran Motor (rpm) Jarak (meter)

1650 7.25 1650 7.10

1850 9.20 1860 8.90

2020 11.40 2050 11.00

Gabar 14 Hasil uji konverter biogas tabung 1 dan karburator bensin Perbedaan debit pompa dari penggunaan konverter biogas dan karburator bensin secara keseluruhan dapat dilihat pada Gambar 14. Pada Gambar 14 menunjukan bahwa adanya persinggungan nilai debit pompa antara konverter biogas tabung 1 dengan karburator bensin pada saat 2200– 2300 rpm dan didapatkan bahwa konverter biogas tabung 1 ialah 0.0763– 0.7826% lebih rendah kinerjanya dari pada karburator bensin. Penggunaan karburator bensin pun terlihat lebih bagus dibandingakan konverter biogas yang ditunjukan dengan kenaikan debit pompa yang dihasilkan seiring dengan kenaikan putaran motor pada 1750–2300 rpm. Perbedaan debit

1750 1940 1970 2150 2200 2300 2390

(33)

23 yaitu sebesar 0.18–0.62 liter/menit. Hal tersebut seperti yang dituturkan oleh Pranayuda (2013) bahwa kinerja motor berbahan bakar biogas dibandingkan dengan bahan bakar bensin diketahui terjadi penurunan kinerja hingga mencapai 52% untuk daya dan 38.3% untuk torsi pada konverter biogas dengan 2 buah port. Perbedaan nilai debit pompa pada putaran motor yang sama yaitu pada 1750–2300 rpm kemungkinan juga terjadi akibat slip pada v-belt ketika menggerakan pompa, sehingga pada penelitian selanjutnya perlu pengukuran slip v-belt dikarenakan perbedaan putaran motor berpengaruh pada kekencangan v-belt ketika memutar puli pompa.

Konsumsi bahan bakar spesifik dari penggunaan konverter biogas ini pada kondisi optimal ialah ⁄ biogas atau setara dengan

_⁄ _{bensin dengan daya 0.963 kW dan torsi 4.274 Nm pada} rasio kompresi 8.3:1 (Septiansyah 2013). Perbandingan konsumsi bahan bakar spesifik yang lebih rinci dapat dilihat pada Lampiran 16.

Instalasi storage biogas untuk mesin budidaya pertanian masih ditempatkan secara statis dikarenakan biogas belum dapat diproses seperti LPG (liquefied petroleum gas), LNG (liquefied natural gas) dan CNG (compressed natural gas), serta memerlukan tempat yang luas untuk menampungnya. Penerapan di lapangan dapat digunakan untuk pompa air, genset dan mesin budidaya lainnya yang ditempatkan secara statis.

SIMPULAN DAN SARAN

Simpulan

Rancangan konverter biogas telah dibuat dalam bentuk prototipe dan sudah dapat digunakan dalam mengoptimalkan penggunaan biogas sebagai bahan bakar motor bensin, sehingga dapat diaplikasikan pada mesin budidaya pertanian yang salah satunya untuk menggerakan pompa air. Konverter biogas ini terdiri dari bagian utama yaitu venturi, selongsong venturi, choke, throttle, tabung gas dan dudukan.

Konveter biogas yang lebih baik dalam mengalirkan bahan bakar biogas merupakan konverter biogas tabung 1 dengan ukuran tabung Ø 50 × 80 mm yang mampu mencapai putaran motor maksimum 3390 rpm dan mampu mengerakan pompa air pada putaran motor 2390 rpm dengan debit pompa 6.62 liter/menit. Konverter biogas ini dapat mengalirkan biogas lebih stabil ketika terjadinya pembukaan throtlle yang mendadak. Konverter biogas ini pun dapat bekerja dengan baik sesuai mekanisme governor yang ada pada motor pada kondisi dibawah putaran motor 3000 rpm. Konsumsi bahan bakar spesifik dari penggunaan konverter biogas ini ialah

(34)

24

Saran

Pengembangan lebih lanjut dari konverter biogas ini agar lebih baik kinerjanya ketika dioperasikan ialah pada hal teknis pembuatan yaitu ketika penyambungan niple dengan selongsong venturi diusahakan dilakukan dengan cara dibuat ulir agar lebih kompak dan memudahkan ketika adanya pergantian spare part. Dudukan baut pengatur throttle dan choke, serta dudukan pada selongsong venturi maupun secara keseluruhan bentuk konverter biogas yang dirancang agar lebih kompak dan permanen maka dapat dibuat dengan teknik pengecoran atau dengan teknik punching and milling. Pembuatan piringan choke dan throttle diusahakan lebih rapat dengan dinding venturi, serta permukaan venturi pun dihamplas lebih halus dan lebih membentuk kurva agar aliran udara dan biogas lebih stabil. Pengukuran slip pada v-belt pompa diperlukan untuk mengetahui pengaruhnya terhadap perbedaan nilai debit pompa pada kondisi putaran motor yang sama, serta diperlukan pula uji endurance agar diketahui daya tahan konverter biogas untuk waktu pemakaian yang relatif lama.

DAFTAR PUSTAKA

[Engineer’s Handbook]. 2006. Surface roughness table [internet]. Engineer’s Handbook. [diacu 2014 Pebruari 24]. Tersedia dari: http:// www.engineershandbook.com.

[Sanchin]. 1998. Product catalog farm implement [internet]. Shin Sanchin Farm Implement, Ltd. [diacu 2014 Mei 19]. Tersedia dari: http://www.spray.com.

[The Engineering Toolbox]. 2014. Gases-densities table nomer akses 224 [internet]. 2014. The Engineering Toolbox. [diacu 2014 Pebruari 24] Tersedia dari: http://www.engineeringtoolbox.com.

[The Engineering Toolbox]. 2013. Air absolute kinematic viscosity table [internet]. The Engineering Toolbox. [diacu 2013 Mei 20]. Tersedia dari: http://www. engineeringtoolbox.com.

Abdel-Hadi. 2009. Determination of methane content by measurements of flame temperature and voltage from biogas burner. Misr J. Ag. Eng., 26(1): 498- 513.

Culp AW. 1979. Principle of energy convertion. McGRAW-HILL KOGAKUSHA. ISBN 0-07-014892-9. Tokyo (JP): Kosaido.

(35)

25 Brawijaya; 2012 30 Nov-2 Des. Malang, Indonesia. Malang (ID): Perteta. [Halaman abstrak tidak diketahui]. No AMP-17.

Harikishan S. 2008. Biogas Processing and Utilization as an Energy Source. In: Khanal, Samir Khumal (ed). Anaerobic for Bioenergy Production. Iowa: Wiley-Blackwell, 267-291.

Latif. 2008. Rancang bangun alat penghasil biogas dari plastik polietilen. [skripsi]. Medan (ID): Departemen Teknologi Pertanian, Fakultas Pertanian, Universitas Sumatera Utara.

Mitran T, Pater S, Fântânã N, Ardelean F. 2008. Mathematical model to calculate fresh charge flow through the orifice controlled by the intake valve. [paper]. Oradea (RO): Fascicle of Management and Technological Engineering, University of Oradea. Volume 7 (17). Mitzlaff K. 1988. Engines for Biogas. Eschborn: German Appropriate

Technology Exchange, -GATE In: Deutsche Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit (GTZ) GmbH.

Pranayuda AP. 2013. Rancang bangun karburator biogas untuk motor besin. [skripsi]. Bogor (ID): Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.

Septiansyah PL. 2013. Penerapan bahan bakar biogas pada motor bensin dengan modifikasi karburator dan rasio kompresi. [skripsi]. Bogor (ID): Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.

Siripornakarachai S, Sucharitakul T. Modification and tuning of diesel bus engine for biogas electricity production. [paper]. Chiang Mai (TH): Faculty of Engineering, Chiang Mai University.

Streeter VL, Wylie EB. 1985. Mekanika Fluida. Arko Prijono MSE, penerjemah. Jakarta (ID): Penerbit Erlangga. Terjemahan dari: Fluid Mechanics. Ed ke-8.

(36)

26

Lampiran 1 Perhitungan rasio biogas–udara (Pranayuda 2013) a. Reaksi pembakaran yang terjadi:

Berdasarkan reaksi tersebut diketahui bahwa perbandingan biogas dan oksigen ialah sebesar 1 : 2.

Asumsi kadar metana dalam biogas sebesar 60%, maka jumlah biogas yang dibutuhkan ialah:

Asumsi kadar oksigen dalam udara sebesar 20.9%, maka jumlah udara yang dibutuhkan ialah:

Perbandingan biogas dan udara ialah sebesar 1.67:9.57, atau dapat disederhanakan:

(37)

27 Lampiran 2 Reaksi pembakaran biogas dengan excess air

Diketahui gas-gas di dalam biogas sebagai berikut:

Gas Hadi (1981) Price (1981)

Metana ( ) 54–70 % 65–75 %

Karbon dioksida ( ) 27–35 % 25–30 % Nitrogen ( ) 0.5–2.0 % Kurang dari 1.0 %

Hidrogen ( ) - Kurang dari 1.0 %

Karbon monoksida ( 0.1 % -

Hidrogen sulfida ( ) Kecil Kurang dari 1.0 % Sumber: United Nations (1988) dalam Wahyuni (2011)

Diasumsikan biogas memiliki komposisi (% volume), sebagai berikut Molekul Gas % Volume Berat Molekul Densitas (kg/m3)

Metana (CH4) 61.1 16.043 0.668

Hidrogen (H2) 0.9 2.016 0.0899

Karbonmonoksida (CO ) 0.1 28.01 1.165

Karbondioksida (CO2) 35 44.01 1.842

Hidrogen sulfida (H2S) 0.9 2.016 1.434

Nitrogen (N2) 2 28.02 1.165

Sumber: (The Engineering Toolbox 2014) sedangakan,

Molekul _{Berat Molekul} _{Densitas (kg/m}3 )

Udara 29 1.205

Oksigen (O2) 32 1.331

Sumber: (The Engineering Toolbox 2014) Reaksi pembakaran:

Reaksi pembakaran pada gas metana adalah:

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

Perbandingan jumlah molekul dikali berat molekul ialah:

CH4

2O2

(38)

28

CH4

2O2

Berdasarkan reaksi pembakaran metana memperlihatkan bahwa 1.5 m3 metana membutuhkan 3 m3 oksigen, sehingga 0.611 m3 metana akan membutuhkan:

CH4 O2

= 1.222 m 3_O2 Reaksi pembakaran pada gas hidrogen adalah:

H2 + 0.5 O2 H2O

Perbandingan jumlah molekul dikali berat molekul ialah: H2

2O2

H2

2O2

Berdasarkan reaksi pembakaran hidrogen memperlihatkan bahwa 11.123 m3 hidrogen membutuhkan 6 m3 oksigen, sehingga 0.009 m3 hidrogen akan membutuhkan:

H2 O2

= 4.86 × 10 -3

m3 O2 Reaksi pembakaran pada gas karbonmonoksida adalah:

CO + 0.5 O2 CO2

CO

2O2

CO

2O2

(39)

29 Berdasarkan reaksi pembakaran karbonmonoksida memperlihatkan bahwa 1.01 m3 karbonmonoksida membutuhkan 0.75 m3 oksigen, sehingga 0.001 m3 karbonmonoksida akan membutuhkan:

CO O2

= 7.42 ×10

-5_m3_O2 Reaksi pembakaran pada gas H2S adalah:

H2S + 1.5 O2 SO2 + H2O

H2S

2O2

H2S

2O2

Berdasarkan reaksi pembakaran hidrogensulfida memperlihatkan bahwa 1.434 m3 hidrogensulfida membutuhkan 1.06 m3 oksigen, sehingga 0.009 m3 hidrogensulfida akan membutuhkan:

H2S O2

= 6.652 × 10

-3_m3_O2

Sehingga kebutuhan total oksigen adalah:

1.222 + 4.86 x 10-3 + 7.42 x 10-5 + 6.652 x 10-3 = 1.234 m3 O2/ m3 biogas

Persentase oksigen di dalam udara adalah 20.9%, maka jumlah udara teoritis yang diperlukan untuk pembakaran adalah:

1.234 : 20.9% = 5.9 m3 udara/m3 biogas

Excess air untuk gas adalah 4–10% (Culp 1979). Pada perhitungan ini diambil excess air sebesar 4% karena biogas mendekati gas alam sehingga menjadi:

Excess air biogas 4% = (100% + 4%) × 5.9 = 1.04 x 5.9 = 6.14 m3

Rasio stoikometrik biogas-udara sesungguhnya untuk pembakaran adalah:

(40)

30

Lampiran 3 Perhitungan ukuran dan jumlah port biogas, serta hasil uji (Pranayuda 2013)

Secara stoikiometrik, diketahui bahwa rasio campuran yang tepat untuk pembakaran biogas ialah 1:5.74. Untuk membuktikan hal ini maka konverter biogas harus memiliki kisaran rasio udara–bahan bakar yang cukup luas. Hal ini dicapai dengan mengatur jumlah dan luas penampang port biogas pada leher venturi.

Luas penampang leher venturi:

(Mitzlaff 1988)

Supaya kisaran rasio yang didapat cukup luas, maka diharapkan rasio konverter biogas berkisar antara 1:1.4 (sangat kaya) dan 1:11 (sangat miskin).

Luas penampang port biogas pada rasio 1:1.4

Luas penampang port biogas pada rasio 1:11 (termiskin):

Jumlah lubang karburator yang akan dirancang banyak (multi–port), maka diasumsikan rasio termiskin dicapai saat hanya ada satu lubang terbuka. Dengan demikian diameter lubang port biogas dapat dihitung sebagai berikut:

(41)

31 Secara perhitungan pada kondisi rasio (pembakaran ideal, Pranayuda 2013) dan (excess air).

Luas penampang port biogas pada rasio

Diameter port biogas dapat dihitung sebagai berikut: Pada kondisi 1:5.74 adalah:

√ √ Pada kondisi 1:6.14 adalah:

√ √

Sebaliknya, rasio campuran paling kaya dapat diasumsikan terjadi saat semua lubang biogas terbuka, maka jumlah port biogas dapat dihitung sebagai berikut (Pranayuda 2013):

(42)

32

Hasil uji konverter biogas Pranayuda (2013) ialah:

Jumlah Port Ulangan Ke- Torsi Maks/rpm Daya Maks/rpm

2a

1a 4.307 Nm / 1521 rpm 0.979 kW / 3146 rpm 2 3.588 Nm / 1575 rpm 0.794 kW / 3266 rpm 3 3.584 Nm / 1663 rpm 0.919 kW / 3282 rpm

4

1 3.320 Nm / 3550 rpm 1.253 kW / 3550 rpm 2 3.631 Nm / 3664 rpm 1.415 kW / 3664 rpm 3 3.299 Nm / 3563 rpm 1.249 kW / 3563 rpm

6

8

a

Hasil penelitian menunjukan bahwa konverter biogas dengan jumlah port 2 buah lebih baik kinerjanya , khususnya ulangan ke-1(Pranayuda 2013).

Diameter port 3 mm dengan jumlah 2 buah ialah yang terbaik (Pranayuda 2013) , maka:

Secara stoikiometrik berdasarkan pengujian konverter biogas dengan 2 buah port dan diameter port 3 mm (Pranayuda 2013), maka dengan membandingkan luas port dan luas venturinya, yaitu:

(43)

33 Lampiran 4 Analisis teknik venturi

1. Perhitungan laju intake volumetric untuk motor Honda GX160 dengan kapasitas silinder 160 cc dan putaran motor maksimum pada 3600 rpm:

(Siripornakarachai 2007)

2. Leher venturi dibuat sesuai ukuran venturi asli yaitu sebesar 10 mm. Kecepatan aliran udara pada leher venturi tidak boleh melebihi 150 m/s pada putaran motor maksimum (Mitzlaff 1988). Maka:

(Mitzlaff 1988)

⁄

⁄ < 150 m/s, maka masih bisa digunakan. Perbandingan bahan bakar 1:5.74, maka kecepatan udara pembagian laju intake volumetric untuk bahan bakar dan udara yaitu:

Udara:

sehingga:

⁄

Bahan bakar:

(44)

34

Pada socket dengan 2 buah port:

(45)

35 Diketahui (Honda 2011):

1 Putaran motor tertinggi (GX160 5.5 HP/4.17 kW) = 3600 rpm

2 Diameter bore (Db) = 68 mm

3 Panjang stroke (s) = 45 mm

4 Diameter venturi (Dv) = 10 mm

5 Volume piston (Vi) = 163 cm3

6 Luas penampang venturi (Ai) = 0.785 cm2 Satu langkah intake motor 4 langakah:

kali (rpm) rps

kali

Waktu tempuh 1 (satu) kali langkah intake:

Debit pada saat intake:

Qintake

Laju aliran udara ialah:

venturi

{ }

venturi

(Menurut Mitzlaff (1988))

(46)

36

7 Viskositas kinematik campuran biogas-udar diasumsikan sama dengan viskositas kinematik udara pada 25 0C ( ) =

Koefisien head loss linear dapat dihitung menggunakan persamaan Moody untuk bilangan (Mitran et al 2008):

(47)

37 Head loss akibat belokan dapat dihitung menggunakan persamaan Weisbach. Diasumsikan terjadi belokan sebesar 90 derajat pada intake manifold:

(Mitran et al 2008)

Kehilangan tekanan pada manifold adalah:

(Mitran et al 2008)

Tekanan di intake manifold ialah:

(Mitran et al 2008)

(48)

38

Lampiran 7 Perhitungan tekanan pada port Diketahui:

(Zicari 2003 di dalam Abdel-Hadi 2009)

9 Nilai koefisien head loss akibat belokan (90 derajat) ( ) = 1.2

Koefisien head loss linear dapat dihitung menggunakan persamaan Colebrook pada kondisi laminer (Streeter danWylie 1985):

Perhitungan head loss linear (akibat friksi) menggunakan persamaan Darcy-Weisbach (Mitran et al 2008):

Head loss akibat belokan dapat dihitung menggunakan persamaan Weisbach. Diasumsikan terjadi belokan sebesar 90 derajat pada port:

(Mitran et al 2008)

(49)

39

Kehilangan tekanan pada port adalah:

(Mitran et al 2008)

Tekanan di port dengan asumsi tekanan biogas Pbiogas = (Latif 2008) ialah:

Pport

(50)

40

Lampiran 8 Analisis teknik tabung gas

Kantung penyimpan sementara merupakan bagian untuk mengalirkan bahan bakar biogas ketika keadaan yang tidak terduga, sehingga tidak harus mengambil langsung dari kantung utama biogas.

Diketahui:

a. Rasio campuran biogas udara = 1:5.74

b. Isi silinder motor = 163

Jika berbentuk tabung, maka: Tabung 1:

Asumsi,

Tabung 2:

Asumsi,

(51)

41 Lampiran 9 Analisis penentuan ukuran keran dan luas alas selang

Diketahui:

1 Diameter port = 3 mm

2 Jumlah port = 2 buah