Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi III
ISBN 2407-4845 Sugeng Hariyanto Mahasiswa S1 Universitas Brawijaya [email protected] Mega Nur Sasongko Tenaga Pengajar (Dosen) Universitas Brawijaya Jurusan Teknik Mesin [email protected]UJI EMISI MESIN BENSIN DENGAN
SISTEM INJEKSI BERBAHAN
BAKAR HCNG
Pertumbuhan permintaan energi di Indonesia setiap tahun mengalami peningkatan, sehingga berdampak buruk terhadap pencemaran udara. Sehingga penggunaan bahan bakar Hydrogen Enriched Compressed Natural Gas (HCNG) pada motor bensin menjadi salah satu penekan pencemaran udara. CNG (Compressed Natural Gas) mengandung 90%-95% gas metana (CH4).
Penggunaan CNG masih kurang diminati dikalangan masyarakat karena daya dan torsi yang dihasilkan lebih rendah dibandingkan bensin. Persentase penambahan kadar Hidrogen memberikan perubahan yang sangat signifikan pada CNG karena hidrogen mempunyai kecepatan pembakaran yang lebih cepat. Ttujuan penambahan hidrogen pada CNG yaitu untuk memperbaiki kualitas dari CNG agar kecepatan pembakaran meningkat sehingga emisi CO dan HC menjadi semakin rendah. Dalam penelitian ini metode yang digunakan yaitu pengamatan secara langsung (eksperimental research) sehingga dapat mengetahui hasil uji emisi gas buang motor Otto 4 langkah yang diperkaya dengan hidrogen menggunakan stargas analyzer. Variabel yang digunakan dalam penelitian ini yaitu kadar hidrogen sebesar 5%, 10%, 15% dan 20%. Hasil penelitian yang didapat bahwa penambahan kadar hidrogen dapat mempercepat durasi pembakaran pada Compressed Natural Gas (CNG). Penambahan kadar hidrogen sebesar 10% pembakaran terjadi paling sempurna dibandingkan dengan penambahan kadar hidrogen sebesar 5%, 10% dan 20%. Jumlah emisi pada penambahan kadar hidrogen sebesar 10% menghasilkan emisi CO2 paling tinggi yaitu 5,66% dan
menghasilkan emisi CO dan HC yang paling rendah yaitu 0,11% dan 56p.p.m. Hal ini dipengaruhi oleh perbandingan (air fuel ratio) AFR aktual dari penambahan kadar hidrogen 10% yang mendekati AFR teoritis. Perbedaan yang kecil antara AFR aktual dan teoritis menandakan bahwa campuran yang dibutuhkan selama proses pembakaran sesuai.
Keywords: compressed natural gas (CNG), stargas analyzer, emisi
gas buang, (air fuel ratio) AFR.
1. PENDAHULUAN
Pada periode 2010 - 2030 pertumbuhan permintaan energi rata-rata tahunan menurut sektor adalah sebagai berikut: industri 6,3%, transportasi 6,7%, rumah tangga 2,1%, komersial 5,0% dan PKP 3,0% [1]. Penambahan hidrogen pada bahan bakar Compressed Natural Gas (CNG) untuk kendaraan bermotor dinilai mampu merubah sifat fisik dan kimia tertentu pada CNG sehingga diantara gas tersebut saling memberikan keunggulan [2].
Penelitian sebelumnya yaitu tentang perbandingan kerja dan emisi dari bahan bakar CNG dengan bensin pada mesin Otto. Hasil dari penelitiannya adalah bahwa bahan bakar mesin dengan bahan bakar CNG mempunyai nilai efisiensi panas, emisi NOx dan suhu gas buang yang lebih tinggi dibandingkan bahan bakar bensin. Sedangkan untuk nilai daya, konsumsi bahan bakar spesifik yang menjadi daya, emisi gas buang (CO, HC, CO2, dan O2) yang dihasilkan CNG lebih rendah. [3].
Hafidh [4] melakukan penelitian tentang penambahan kadar hidrogen terhadap kecepatan pembakaran laminer HCNG. Hasil dari penelitiannya adalah penambahan kadar hidrogen pada pembakaran CNG dapat mempercepat durasi pembakaran atau burning rate sehingga waktu yang diperlukan akan semakin sedikit
untuk bahan bakar terbakar habis dan hal tersebut berbanding lurus dengan banyaknya kadar hidrogen yang ditambahkan pada pencampuran premixed sebelum proses pembakaran.
2. METODE DAN BAHAN
Metode penelitian eksperimental (eksperimental research), yaitu dengan melakukan pengamatan kejadian secara langsung sehingga dapat mengetahui hasil uji emisi gas buang motor Otto 4 langkah sistem injeksi dengan bahan bakar Compressed Natural Gas (CNG) yang diperkaya dengan hidrogen.
2.1 Variabel Penelitian
Penelitian ini menggunakan variabel bebas yaitu penambahan kadar hidrogen sebesar 5%, 10%, 15%, dan 20% yang ditambahkan pada Compressed Natural Gas (CNG) sehingga didapat variabel terikat berupa kan-dungan gas buang yang meliputi CO, CO2, HC, O2 dan excess air. Untuk menetralisasikan hasil data yang
diperoleh maka variabel kontrol yang digunakan adalah tekanan bahan bakar CNG dan hidrogen sebesar 0,8 bar, rasio kompresi 9,3:1, bukaan throttle 25% dan temperatur minimal Engine 48oC.
Gambar 1: Skema instalasi pengujian kandungan gas buang pada Engine 4-stroke fuel injection
Keterangan Gambar 1: 1. Tabung gas CNG 2. Pressure regulator
3. Tabung gas hidrogen 4. Flowmeter 5. Pressure gauge 6. Konektor selang 7. ECU 8. Anemometer 9. Stargas anylyzer
10. Engine Otto 4 stroke
Instalasi pengujian yang digunakan pada penelitian ini menggunakan motor Otto 4 langkah sistem injeksi dengan satu silinder bervolume 124.8 cc dengan rasio kompresi 9,3 : 1 yang ditempatkan pada suatu rangka penyangga sehingga alat uji dalam kondisi statis. Bahan bakar yang berasal dari tiap-tiap tabung (CNG dan hidrogen) mengalir menuju pressure regulator dimana didalam pressure regulator diatur tekanannya masing-masing sebesar 0,8 bar.
Hidrogen dan CNG masuk menuju flowmeter untuk diatur massa alirya sesuai dengan konsentrasi dari masing-masing bahan bakar. Setelah bahan bakar diatur pada masing-masing flowmeter, kemudian bertemu satu sama lain pada konektor T. Untuk memastikan bahwa konsentrasi yang masuk ke konektor T sesuai dengan data yang telah ditentukan maka dilihat besar tekanan melalui pressure gauge. Tekanan yang
melewati pressure gauge harus sama agar konsentrasi bahan bakar yang dimasukkan benar dan tidak terjadi
underpressure pada salah satu tabung. Pembacaan emisi gas buang dilakukan oleh Stargas Analyzer 898
yang telah dihubungakan pada saluran buang sehingga akan terbaca kandungan emisi berupa CO2, O2, CO,
HC, dan λ (Excess air) yang kemudian dianalisis. 3. HASIL DAN DISKUSI
Penambahan variasi kadar hidrogen (H2) pada bahan bakar Compressed Natural Gas (CNG) akan
berpengaruh terhadap hasil pembakaran. Pembakaran sempurna hanya akan menghasilkan CO2 dan H2O pada
ruang bakar.
Kenyataannya pembakaran menghasilkan senyawa lain yang berbahaya seperti CO dan HC. Emisi CO sangat berbahaya bagi kesehatan manusia karena jika terhirup dapat berikatan dengan hemoglobin (Hb) pada darah dan menghalangi penyerapan oksigen dalam tubuh (Harish, 2016).
Gambar 2: Efek penambahan kadar hidrogen pada Compressed Natural Gas (CNG) terhadap emisi CO2
Indikasi dari baik buruknya pembakaran pada ruang bakar yaitu kandungan karbondioksida pada emisi gas buang yang terbaca pada stargas analyzer. Semakin tinggi kandungan CO2 maka semakin mendekati sempurna reaksi pembakaran yang terjadi. Hal ini dikarenakan atom C teroksidasi secara sempurna dan membentuk senyawa CO2. Pada Gambar 2 dapat dilihat bahwa semakin tinggi rpm maka semakin besar
kan-dungan CO2. Hal ini terjadi karena dengan meningkatnya putaran mesin maka semakin banyak bakar yang
harus disemprotkan sehingga temperatur di dalam ruang bakar juga meningkat. Dengan meningkatnya tem-peratur ruang bakar, pembakaran akan berjalan semakin sempurna sehingga menghasilkan CO2 yang semakin
tinggi. Kandungan CO2 pada konsentrasi hidrogen 10% lebih tinggi daripada konsentrasi hidrogen 5%, 15%
dan 20%. Hal ini karena pada konsentrasi hidrogen 10% perbandingan antara udara yang dibutuhkan dengan bahan bakar yang seharusnya digunakan dalam proses pembakaran mendekati dari nilai teoritisnya. Semakin kecil perbedaan AFR aktual dengan teoritis maka pemabakaran yang terjadi mendekati sempurna. Hal ini atom C dan H telah berikatan secara sempurna dengan oksigen. Namun pada putaran mesin yang semakin tinggi grafik konsentrasi hidrogen 20% cenderung naik karena pada putaran yang cepat membutuhkan ke-cepatan pembakaran yang cepat pula untuk bahan bahan bakar terbakar habis.
Gambar 3: Efek penambahan kadar hidrogen pada Compressed Natural Gas (CNG) terhadap emisi CO
Pada Gambar 3 menunjukkan efek yang terjadi pada kandungan gas buang CO pada penambahan kadar hidrogen sebesar 5%, 10%, 15%, dan 20% terhadap putaran mesin (rpm). Terdapatnya CO merupakan indi-kasi dari pembakaran yang terjadi tidak tercukupi oleh oksigen atau terlalu banyak bahan bakar (rich fuel). Dari grafik diatas dapat dilihat semakin besar putaran mesin untuk setiap penambahan hidrogen
menyebab-kan menyebab-kandungan gas buang dari CO semakin kecil. Pada penambahan kadar hidrogen 10%, emisi CO lebih sedikit dibandingkan dengan penambahan kadar 5%, 15% dan 20%. Hal ini terjadi karena pada proses pem-bakaran tercukupi oleh oksigen sehingga atom C akan mengikat 2 atom O. Sedangkan pada penambahan kadar hidrogen 20% kandungan emisi HC paling tinggi karena bahan bakar berlebih pada saat proses pemba-karan.
Gambar 4: Efek penambahan kadar hidrogen pada Compressed Natural Gas (CNG) terhadap emisi HC
Hidrokarbon (HC) adalah ikatan unsur dari hidrogen dan karbon yang tidak ikut terbakar pada saat proses pembakaran dimana bahan bakar tidak semua bereaksi dengan oksigen. Pada Gambar 4 diatas menun-jukkan efek penambahan kadar hidrogen pada CNG terhadap emisi gas buang HC. Pada semua variasi penambahan kadar hidrogen, emisi gas buang HC cenderung menurun seiring bertambahnya putaran mesin. Berkurangnya kandungan HC dipengaruhi oleh naiknya temperatur disetiap kenaikan putaran mesin. Kan-dungan HC pada penambahan kadar hidrogen 10% paling rendah dibandingkan dengan kadar 5%, 15% dan 20%. Hal ini diakibatkan bahwa campuran antara oksigen dengan bahan bakar (HCNG10) mendekati jumlah campuran teoritisnya. Sehingga selama proses pembakaran emisi HC yang terbentuk berubah menjadi CO2.
Gambar 5: Efek penambahan kadar hidrogen pada Compressed Natural Gas (CNG) terhadap emisi O2
Pada Gambar 5 diatas menjelaskan hubungan penambahan kadar hidrogen pada CNG terhadap emisi oksigen. Terdapatnya kandungan O2 merupakan tanda jika pembakaran yang terjadi pada ruang bakar terlalu
banyak O2 yang tidak bereaksi dengan bahan bakar. Sehingga O2 ikut terbuang melalui saluran buang
menjadi emisi. Besarnya emisi O2 mengakibatkan besarnya jumlah CO dimana CO dan O2 berbanding lurus.
Untuk mendapatkan pembakaran yang sempurna, maka kadar oksigen yang masuk kedalam ruang bakar harus mencukupi setiap molekul hidrokarbon. Pada grafik diatas dapat dilihat bahwa kadar hidrogen 10%, 15% dan 20% grafik cenderung menurun sebanding dengan kenaikan putaran mesin. Hal ini terjadi karena setiap bahan bakar yang tercukupi untuk satu molekul hidrokarbon. Menurunnya oksigen disetiap kenaikan putaran mesin juga disebabkan karena naiknnya temperatur pembakaran pada ruang bakar sehingga campuran bahan bakar dengan oksigen menjadi lebih cepat terbakar. Pada kadar hidrogen 5% terlalu banyak oksigen yang tidak bereaksi dengan hidrokarbon dimana grafik cenderung naik. Kenaikan ini juga disebabkan karena kecepatan pembakaran yang relatif lebih lambat pada putaran mesin yang semakin meningkat jika dibandingkan dengan kadar hidrogen 10%, 15% dan 15%, sehingga oksigen tidak bereaksi sepenuhnya menjadi CO2.
Gambar 6: Efek penambahan kadar hidrogen pada Compressed Natural Gas (CNG) terhadap emisi excess
air.
Pada Gambar 6 diatas menjelaskan efek penambahan kadar hidrogen pada CNG terhadap emisi excess
air. Excess air merupakan perbedaan antara oksigen teoritis dan oksigen aktual. Semakin besar nilai excess air berarti semakin besar oksigen yang tidak bereaksi dengan bahan bakar sehingga terbuang melalui gas
buang. Indikasi bahwa excess air yang baik yaitu mendekati angka 1 dimana oksigen aktual mendekati oksi-gen teoritis. Pada grafik diatas semakin besar putaran mesin pada kadar hidrooksi-gen 5%, 10%, 15% dan 20% menurun mendekati angka 1 dimana proses pembakaran semakin mendekati sempurna. Tetapi pada kadar hidrogen 5% setelah mencapai titik stoikhiometri pada putaran mesin 5000 kemudian naik. Hal ini disebab-kan karena bahan bakar terlalu miskin sehingga oksigen terbuang melalui gas buang. Pada penambahan kadar hidrogen 10% jumlah excess air paling rendah daripada penambahan kadar hidrogen 5%, 15% dan 20%. Hal ini diakibatkan oleh campuran bahan bakar dengan oksigen mendekati nilai dari teoritisnya. Sehingga pem-bakaran lebih sempurna.
4. KESIMPULAN
Dari pembahasan yang telah dilakukan maka dapat diperoleh kesimpulan sebagai berikut:
1. Karakter pembakaran yang baik apabila memiliki jumlah emisi CO2 paling tinggi serta CO dan HC paling
rendah dimana pembakaran tercukupi oleh oksigen disetiap molekulnya.
2. Penambahan kadar hidrogen 10% memberikan dampak yang paling signifikan pada proses pembakaran dimana proses pembakaran yang terjadi paling sempurna dibandingkan penambahan kadar hidrogen sebe-sar 5%, 15% dan 20% dengan indikasi melalui gas buang
3. Penambahan kadar hidrogen sebesar 10% memiliki perbandingan udara dengan bahan bakar (AFR) aktual yang mendekati dengan perbandingan udara dengan bahan bakar (AFR) teoritis.
5. DAFTAR PUSTAKA
[1] KESDM. 2010, Indonesia Energy Outlook, Jakarta, Pusat Data Dan Informasi Energi Sumber Daya Mineral.
[2] NANTHAGOPAL, KASIANANTHAM., RAYAPATI S., THANGAVELU E., PONNUSAMY B & KANDASAMY A. 2011, Hydrogen Enriched Compressed Natural Gas (HCNG)–A Futuristic Fuel
For Internal Combustion Engines, Tamilnadu, Automotive Research Centre VIT University.
[3] JAHIRUL. M. I., H.H. MASJUKI, R. SAIDUR, M.A KALAM, M.H. JAYED, M.A. WAZED, 2010,
Comparative Engine Performance and Emission Analysis of CNG and Gasoline in a Retrofitted car Engine, Journal of Applied Thermal enginerring, Vol. 30. Pp. 2219-2226. School of Engineering and
Built Environment. CQ University, Rockhamton.
[4] RIZQULLAH, HAFIDH, 2018, Pengaruh Penambahan Kadar Hidrogen Terhadap Kecepatan
Pembakaran Laminer Hcng Dengan Metode Spherical Expanding Flames, Malang, Tidak
