Bab 3 Instalasi dan Prosedur Pengujian

Bab 3

Instalasi dan Prosedur Pengujian

Rangkaian pengujian dalam penelitian ini ditujukan untuk mengetahui efek penggunaan MAZ 400 sebagai zat aditif untuk pemakaian biodiesel di Indonesia. Oleh karena itu, prosedur dan mesin diesel yang digunakan dalam pengujian disesuaikan dengan keadaan yang paling mewakili kondisi di Indonesia. Evaluasi terhadap prestasi mesin, emisi yang dihasilkan, dan deposit pada ruang bakar serta kondisi komponen yang dilalui oleh bahan bakar menjadi hal–hal yang akan dianalisis lebih jauh dengan melakukan komparasi antar berbagai komposisi bahan bakar yang digunakan. Dalam pengujian ini, seluruh rangkaian pengujian yang mencakup uji ketahanan, uji prestasi, dan pengambilan sampel emisi, dilakukan berulang dengan lima jenis komposisi bahan bakar yang berbeda, yaitu solar murni, solar murni ditambah 5% biofuel (B05), B05 ditambah 1200 ppm MAZ 400, solar murni ditambah 20% biofuel (B20), dan B20 ditambah 1200 ppm MAZ 400. Seluruh bahan bakar pengujian diambil dari PERTAMINA dan supplier FAME resmi PERTAMINA yaitu PT. WAHANA ETERINDO.

Pengujian yang dilakukan mengacu pada beberapa standar yaitu :

1. Economic Commissioning for Europe (ECE) United Nation Emission

and Air Pollutants Regulation 049 dan 083 untuk uji ketahanan.

2. Method of air sampling no.101 (determination of C1 Hydrocarbon) untuk uji sampel emisi.

3. ASTM untuk uji sifat bahan bakar dan pelumas (lebih lengkapnya ada pada lampiran).

Sementara untuk tempat pengujian dilakukan di beberapa tempat meliputi: 1. Uji ketahanan, uji prestasi, sampling emisi serta pengukuran deposit sepenuhnya dilakukan di Balai Termodinamika Motor dan Propulsi (BTMP), PUSPIPTEK – Serpong.

2. Uji sampel emisi dengan metode Gas Chromatography dilakukan di Laboratorium Kimia Terpadu, Institut Pertanian Bogor.

3. Uji sifat bahan bakar dan pelumas dilakukan oleh PetroLab Service, Rawamangun - Jakarta Timur.

3.1 Instalasi Pengujian

Instalasi pengujian aditif bahan bakar ditunjukkan pada gambar 3.1.

Gambar 3.1 Instalasi Pengujian

Secara skematis susunan peralatan yang dipakai pada pengujian dapat dilihat pada gambar 3.2.

Selain keberadaan dinamometer, sistem ini juga mencakup:

• Sistem akuisisi data dan pengontrolan: sistem ini mengatur siklus pengujian dan mengakuisisi data selama pengujian.

• Sistem aliran bahan bakar: sistem ini menjamin suplai bahan bakar ke mesin terjaga dan teramati sehingga sistem ini juga dapat menentukan besarnya konsumsi bahan bakar dan tekanan serta temperatur masuk bahan bakar selama pengujian.

• Sistem air pendingin: sistem ini sangat vital untuk mencegah terjadinya kegagalan akibat overheat dimana kondisi tersebut dapat menyebabkan perubahan geometris pada blok motor dan kepala silinder akibat pemuaian. Sistem air pendingin ini diatur dan dikontrol selama pengujian sehingga untuk membebaskan kontrol dari sistem yang telah ada sebelumnya pada mesin, dilakukan sedikit modifikasi yang menyebabkan matinya fungsi termostat pada mesin. Selain itu, sistem pendinginan ini juga berfungsi untuk mempertahankan temperatur pelumas sehingga efek perubahan sifat oli akibat perubahan temperatur terhadap prestasi mesin dapat diabaikan.

• Sistem gas buang: sistem ini difungsikan untuk menjamin gas buang keluar ke udara bertekanan atmosfer dan memudahkan proses sampling emisi. Selain itu, dalam sistem ini juga disertakan thermocouple untuk mengetahui temperatur gas buang.

• Sistem ventilasi: sistem ini menjamin ketersediaan udara dan sirkulasi udara di dalam ruang pengujian sehingga dapat dikontrol temperatur maupun kelembaban relatif udara selama pengujian.

Spesifikasi teknis sistem-sistem dalam instalasi pengujian meliputi : Dinamometer

Tipe Froude AG 150 Eddy Current

Max. power 150 kW

Max. speed 8000 rpm

Max. torque 520 Nm

Sistem pendingin

Max. heat dissipation 400 kW

Sistem suplai bahan bakar

Flow rate range 0-75 l/jam

Flow rate accuracy ± 0,5% of reading

Pump max. pressure 10 bar

Pump max. flow rate 240 l/jam

Sensor Tekanan

Accuracy 0,06% full scale

Temperature effect 0,5% total error band 0-50 oC

Output 100 mV@full scale

(static pressure transducers) 300 mV@full scale

(differential pressure transducers) Sensor Temperatur

Temperature range -270 oC sampai +1370 oC

Accuracy ±0,004T oC untuk pengukuran

-40 oC sampai +1000 oC

3.1.1 Mesin Uji

Pertimbangan yang dipakai dalam pemilihan mesin uji terutama mengenai keterwakilan jenis mesin yang paling umum dipakai di masyarakat Indonesia. Sehingga dalam pengujian ini dipilih mesin dari Isuzu Panther Pick-Up dengan spesifikasi teknis mesin sebagai berikut:

Mesin Isuzu

Model 4JA1 with turbocharger

Tipe 4 silinder sebaris

Sistem injeksi bahan bakar direct injection

Isi silinder (mm) 2499

Tenaga maksimum (PS/rpm) 86 / 3900 Torsi maksimum (Kgm/rpm) 17,5 / 2300 Garis tengah x langkah (mm x mm) 93 x 32

Pelumas PERTAMINA Meditran SX

Gambar 3.3 Mesin Uji

Pada mesin ini terpasang beberapa sensor temperatur, yaitu : • Temperatur udara masuk (inlet air temperature)

• Temperatur gas buang pada exhaust manifold • Temperatur minyak pelumas pada oil pan • Temperatur air pendingin (coolant temperature) • Temperatur masuk bahan bakar (fuel temperature) Selain itu juga dipasang sensor tekanan, yaitu :

• Tekanan udara pada saluran udara masuk • Tekanan udara pada saluran gas buang • Tekanan minyak pelumas

• Tekanan suplai bahan bakar

Dan untuk mengatur bukaan katup bahan bakar, pada mesin ini juga dipasang pengontrol katup gas (throttle controller).

3.1.2 Dinamometer

Mesin didudukkan pada test bed dan poros mesin dihubungkan dengan rotor dari dinamometer. Rotor tersebut terhubung dengan stator secara

elektromagnet, hidraulik, atau dengan memanfaatkan gesekan mekanik. Gaya atau momen putar yang terjadi pada rotor akan ikut tersalurkan ke stator, dimana stator itu sendiri terhubungkan dengan load cell. Pembacaan sensor ini akan menunjukkan besarnya torsi yang dihasilkan dari putaran poros tersebut dan ditampilkan secara real time pada layar monitor pada ruang kontrol.

Sementara itu, untuk mengatur siklus pengujian, dinamometer akan bekerja dengan close loop controlled system dimana yang diatur adalah putaran mesin dan suplai bahan bakar. Sehingga jika pada suatu saat dimana putaran mesin dipertahankan tetap sementara suplai bahan bakar ditambah, maka sistem akan berusaha mempertahankan putaran mesin pada level tersebut dengan menambah beban torsi yang bekerja pada poros. Panas yang dihasilkan dari induksi tadi kemudian didisipasikan ke sistem air pendingin. Karena menggunakan sistem induksi, perubahan beban dapat dilakukan dengan cepat. Akan tetapi, karena dinamometer jenis ini sangat rentan terhadap kerusakan akibat overheat maka harus ada sistem pendinginan.

Dinamometer eddy current yang digunakan adalah Froude AG150 buatan Cussons–Inggris dengan rentang pengukuran putaran dari 0–8000 rpm dan power 0–150 kW. Dinamometer yang digunakan pada pengujian ini dapat dilihat pada gambar 3.4.

Di dalam pengujian sumbu poros engkol mesin uji harus segaris dengan sumbu dinamometer untuk mencegah getaran berlebihan yang dapat mengganggu proses pengujian. Sumbu yang segaris ini diilustrasikan oleh gambar 3.5.

Gambar 3.5 Alignment sumbu motor dan dinamometer[12]

3.1.3 Sistem Akuisisi Data dan Pengontrolan

Pengujian ini menggunakan unit akuisisi data dan pengontrol pengujian yang disebut AUTOTEST IV. Sistem yang diproduksi oleh Cussons ini telah terkomputerisasi sehingga semua data pengukuran dapat disimpan secara otomatis dan diolah sesuai dengan keinginan. Pengukuran yang terjadi berlangsung secara real time dimana setiap variabel yang dicatat terukur terhadap waktu. Untuk melakukan pengujian secara otomatis maka katup gas pada motor uji dihubungkan dengan throttle controller.

Unit AUTOTEST IV ini dapat dilihat pada gambar 3.6. dan secara skematik, susunan sistem diilustrasikan pada gambar 3.7

Gambar 3.7 Skema sistem akuisisi data dan pengontrol[13]

3.1.4 Sistem Aliran Bahan Bakar

Sistem ini mengatur ketersediaan suplai bahan bakar dan menjaga tekanan suplai bahan bakar ke pompa injeksi pada level tertentu. Selain itu, sistem ini juga akan memberikan pembacaan besarnya aliran bahan bakar yang disuplai. Alat ukur yang digunakan utnuk fungsi tersebut adalah Pieburg Fuel Flowmeter, dimana alat ukur ini termasuk jenis positive displacement flowmeter. Sementara itu, untuk melakukan pembacaan tekanan dan temperatur bahan bakar, digunakan

strain gauge pressure transducers dan thermocouple dimana semua hasil

pembacaan tersebut ditampilkan real time ke layar monitor di ruang kontrol. Alat ini dapat dilihat pada gambar 3.8.

Gambar 3.8 (a) Tangki bahan bakar, (b) fuel flow meter Pengukur Gas Buang

Pengukur Gas Buang 3.1.5 Sistem

Sistem ini ditujukan untuk me

Sistem ini ditujukan untuk mengeluarkan gas buang dari mesin uji ke

Gambar 3.9 (a) Emission Analyser; (b) Air Filter; (c) Jalur sampling; (d) AVL Smoke Meter m

ngeluarkan gas buang dari mesin uji ke

Gambar 3.9 (a) Emission Analyser; (b) Air Filter; (c) Jalur sampling; (d) AVL Smoke Meter

udara bertekanan atmosfer sekaligus untuk mengambil sampel emisi dengan membuat saluran by-pass sebelum gas buang berkontak dengan udara luar. Hasil sampel emisi tersebut akan dianalisis dengan dua cara. Untuk besarnya soot akan diterjemahkan dengan varible sampling AVL smoke meter, sementara untuk CO, O2, dan NOx akan secara real time diproses dan ditampilkan oleh Emision

Analyser. Sedangkan untuk mengetahui kandungan hidrokarbon pada gas buang,

dilakukan pengambilan sampel emisi untuk diuji dan dianalisis dengan proses Gas

Chromatography yang seluruh prosesnya dilakukan oleh pihak Laboratorium

Kimia Terpadu Institut Pertanian Bogor.

udara bertekanan atmosfer sekaligus untuk mengambil sampel emisi dengan membuat saluran by-pass sebelum gas buang berkontak dengan udara luar. Hasil sampel emisi tersebut akan dianalisis dengan dua cara. Untuk besarnya soot akan diterjemahkan dengan varible sampling AVL smoke meter, sementara untuk CO, O2, dan NOx akan secara real time diproses dan ditampilkan oleh Emision

Analyser. Sedangkan untuk mengetahui kandungan hidrokarbon pada gas buang,

dilakukan pengambilan sampel emisi untuk diuji dan dianalisis dengan proses Gas

Chromatography yang seluruh prosesnya dilakukan oleh pihak Laboratorium

Kimia Terpadu Institut Pertanian Bogor.

(a) (b) (c) (d)

Gambar 3.10 Skema sistem pengambilan data dan sampel emisi[13]

menjadi tiga bagian, yaitu persiapan

Pengujian

enjadi langkah awal persiapan pengujian yang kem

3.2 Prosedur Pengujian

Penjabaran prosedur pengujian dibagi

pengujian yang akan menjelaskan prosedur sebelum dimulainya uji ketahanan, penjelasan mengenai prosedur yang dilakukan selama pengujian ketahanan dan prestasi, serta bagian ketiga adalah penjelasan mengenai prosedur pasca pengujian prestasi.

3.2.1 Persiapan

Kalibrasi pompa injeksi bahan bakar m

udian dilanjutkan dengan test cell comissioning. Setelah pemasangan, kalibrasi, dan pengecekan fungsi kontrol dan akuisisi data selesai

dilakukan, rangkaian pengujian untuk mengetahui prestasi dan emisi dari kerja mesin uji didahului dengan top overhaul dengan membersihkan seluruh bagian dari ruang bakar, katup isap, katup buang, cyllinder head, dan mengganti filter oli setelah sebelumnya dilakukan pengurasan oil pan. Khusus pada silinder satu, katup isap dan katup buang akan selalu diganti dengan yang baru dari pengujian satu jenis bahan bakar ke jenis bahan bakar yang lain. Komponen lain yang juga selalu diganti pada awal pengujian suatu sampel bahan bakar adalah gasket

cyllinder head. Selanjutnya dilakukan pengukuran massa katup, volume dan

tekanan injeksi bahan bakar dari masing–masing injektor, dokumentasi bentuk

spray dari masing–masing injektor, serta dokumentasi kondisi awal semua

komponen pada ruang bakar. Prosedur ini dilakukan pada awal pengujian untuk masing–masing sampel bahan bakar dengan tujuan memperoleh data dan keseragaman kondisi awal pengujian.

Namun, selain prosedur top overhaul, untuk memastikan pemasangan kembal

an, alat ka

i dan penyetelan komponen pada mesin telah dilakukan dengan benar sehingga antara satu pengujian dengan pengujian lain faktor kondisi awal dapat dianggap sama, dilakukan juga pengujian terhadap tingkat suplai bahan bakar untuk bukaan fuel throttle yang tertentu serta pengujian prestasi mesin dan pengukuran emisi partikulat (soot) di setiap awal pengujian satu sampel bahan bakar. Persiapan pengujian ini biasanya memakan waktu kurang lebih 12 jam.

Alat–alat yang digunakan selama persiapan pengujian meliputi timbang librasi pompa injeksi yang juga merupakan alat uji injektor, serta tabung ukur untuk volume injeksi dapat dilihat pada gambar 3.11 dengan spesifikasi teknis untuk masing–masing alat meliputi :

Timbangan

DAM® PW254 load

cale gr

mpa dan uji injektor

Tipe A

Max. 250 gr

Minimum s 0,0001

Alat kalibrasi po

aishan Brand Fuel Injection Pump

Max. speed

Tipe T

Test 12PSDB75 5000 rpm

Max. pressure

Gambar 3.11 Alat-alat persiapan pengujian meliputi (a) Timbangan; (b) Alat

.2.2 Pengujian Ketahanan dan Prestasi

akukan selama 50 jam untuk satu sampel bahan bakar dengan pengulangan siklus pengujian dengan periode per

6 Mpa

(a) (b)

(c)

kalibrasi pompa dan volume injeksi; (c) Tabung ukur volume injeksi;

3

siklusnya adalah 2 jam. Periode pemrograman siklus ditetapkan 2 jam dengan pertimbangan keamanan dan kemudahan apabila suatu saat terjadi gangguan pada sistem, sementara mode pengujian per siklusnya ditetapkan dengan mengadopsi

general usage cycle yang ada pada standar pengujian ECE R.49. Pada ECE R.49

dikatakan bahwa prosedur uji ketahanan yang ditujukan untuk pengujian emisi mesin diesel konvensional atau mesin diesel dengan electronic fuel injection,

exhaust gas recirculation (EGR), dan atau dengan oxidation catalyst, adalah

prosedur pengujian European Steady state Cycle (ESC). Berikut ini adalah siklus pengujian ESC.

Tabel 3.1 Siklus pengujian ESC[14]

Pada tabel siklus ESC tersebut, terdapat kecepatan putaran mesin uji yang enjadi salah satu variabel kontrol dalam pengujian. Masing–masing kecepatan

hi - nlo )

Kecepatan putar rensi dalam penentuan

kecepatan mesin uji, dide ambar 3.12 m

tersebut didefinisikan sebagai berikut :

Speed A = nlo + 25 % (nhi - nlo )

Speed B = nlo + 50 % (n

Speed C = nlo + 75 % (nhi - nlo)

nhi dan nlo yang menjadi refe

Engine speed

Gambar 3.12 Definisi kecepatan putaran mesin untuk pengujian mesin diesel dengan prosedur ESC pada standar ECE R.49[14]

Sementar pu mewakili

kondisi transportasi di Indonesia, penulis mengacu pada standar ECE R.83. a untuk menetukan bentuk siklus ketahan yang mam

Tabel 3.2a Siklus uji ketahanan elementary urban operating cycle pada standar ECE R.83[15]

Tabel 3.2b Siklus uji ketahanan extra urban operating cycle pada standar ECE R.83[15]

Dari jian ya pada standa R.83, penulis menentukan bentuk siklus, putaran mesin, dan pembebanan dengan tujuan untuk mendapatkan hasil yan sebanding deng osedur pada ar yang ada dan mewakili kondisi pemakaian transportasi di Indonesia, namun dengan waktu pengujian y

Time (s) Percent

Idle 60 30.8

Vehicle moving, clutch engaged on one combination 9 4.6 Gear-changing 8 4.1 Acceleration 36 18.5 Steady-speed periods 57 29.2 Deceleration 25 12.8 195 100 Time (s) Percent Idle 20 5

Vehicle moving, clutch 20 5

engaged on one combination Gear-changing 6 1.5 Acceleration 103 25.8 Steady-speed periods 209 52.2 Deceleration 42 10.5 400 100

bentuk siklus pengu ng r ECE

g an pr stand

Pembagian periode pengujian untuk satu siklusnya dijabarkan sebagai berikut ini :

1. Mesin uji dijalankan pada kondisi i elama 10 men

2. Me pada kecepatan putar torsi maksimum dengan beban 25% torsi maksimum selama 20 menit.

3. Mesin u a kecepatan putar torsi mak dengan beban 50% tors elama 20 m

4. Mesin uji dijalankan pada kondisi elama 10 me

5. Mesin uj ada kecepatan putar torsi ma m dengan beban 75% torsi maksimum selama 30 m

6. Mesin uji dijalankan pada kondis selama 10 menit. 7.

ali sehingga total berjalan 50 jam untuk setiap jenis sampel bahan bakar. Gambar di bawah ini menunjukkan satu periode siklus uji ketahan

dle s it.

sin uji dijalankan

ji dijalankan pad simum

i maksimum s enit.

idle s nit.

i dijalankan p ksimu

enit. i idle

Mesin uji dijalankan pada kecepatan putar daya maksimum, dengan beban torsi yang akan menghasilkan 25% daya maksimum selama 10 menit. 8. Mesin uji dijalankan pada kecepatan putar daya maksimum, dengan beban

torsi yang menghasilkan 50% daya maksimum selama 10 menit. Siklus ini diulang 25 k

an.

Daya

Tabel 3.3 Siklus pengujian ketahanan Test

Point

Durasi Kecepatan Beban Torsi Daya (min) putar mesin

(n)

(T) (P)

1 10 idle - -

2 20 n for Tmax 25% Tmax n x T

3 20 n for Tmax 50% Tmax n x T

4 10 idle - -

5 30 n for Tmax 75% Tmax n x T

6 10 idle - -

7 10 n for Pmax P / n 25% Pmax

8 10 n for Pmax P / n 50% Pmax

Setelah siklus ditentukan dan sebelum uji ketahan dijalankan, lebih dahulu dilakukan pengujian performa awal untuk mengetahui prestasi mesin uji dalam rangka menentukan besarnya nilai sesungguhnya dari torsi dan daya maksimum yang dapat dicapai oleh m

verifikasi terhadap spesifikasi teknis yang dikeluarkan oleh pihak pabrikan mesin

uji dan sebagai acu sanaan prosedur uji

ketahanan yang telah disusun b osen ilai tor ya m

Setelah semua titik pengujia etahui nilainya, uji ketahanan dijalankan sela 50 jam untuk masing-masing sampel bahan bakar dimana di setiap akhir pelaksanaan uji ketahanan dilakukan prosedur uji prestasi termasuk di dalamnya pengambilan data isi. Selain lan data g ditamp real time ilakukan j sampling gas untuk kemudian dianalisis di Laboratorium

Kim Terpadu dengan engetah kandun isi

hidrokarbon pada putaran mesin yang tertentu dalam ondisi torsi maksimum yang dapat dicapai pada putaran

Titik oper ang diuji prestasi m meliputi p 0 m sampai dengan putaran 3600 rpm dengan pencatatan data setiap 200 rpm. Sementara prosedur sampling gas untuk dikirim ke Lab. Kimia Terpadu IPB esin uji. Hal ini penting untuk dilakukan sebagai

an untuk menjamin kebenaran pelak erdasarkan pr

n dik

tase terhadap n si dan da aksimum.

ma

em pengambi emisi yan ilkan

, d uga

ia IPB maksud m ui jumlah gan em

k tersebut.

asi y dalam uji esin utaran 140 rp

dilakukan pada titik–titik tertentu yang meliputi : 1400 rpm, 1800 rpm, 2400 rpm, 3000 rpm, 3400 rpm, dan 3600 rpm. Data yang dicatat selama pengujian dapat dilihat pada tabel 3.2.

Tabel 3.4 Parameter dan Satuan

PARAMETER SATUAN

Throttle set point %

Throttle feedback %

Putaran mesin uji rpm

Torsi Nm Daya kW Laju konsumsi bahan bakar l/jam

Laju aliran udara masuk l/detik Temperatur oli pada oil pan °C

Tekanan oli kPa

Temperatur air pendingin masuk °C Temperatur air pendingin keluar °C Temperatur Exhaust manifold °C Temperatur lingkungan °C Tekanan lingkungan kPa abs. Kelembaban relatif lingkungan %

Kadar O2 % v/v

Kadar CO ppm

Kadar NOx ppm

Kadar HC ppm

Kadar CO2 % v/v

Sebelum pengujian sampel bahan bakar berikutnya sistem saluran bahan bakar harus dikuras agar tidak terjadi pencampuran dengan sampel bahan bakar sebelumnya. Selain itu, iganti baru agar faktor perbedaan kondisi awal pe ujian dap .

3.2.3 Prosedur Pasca Pengujian Prestasi

Setelah pengujian ketahanan 50 jam dan uji prestasi dilaksanakan, terdapat prosedur pasca p ongkaran, uran, pembersihan dan penyetelan k n-komponen yang dievaluasi. Prosedur tersebut secara ri

• Membong ing a seperti valve cover

(penutup d (kepala silinder). Selama

pelumas juga harus dikuras dan d lumas dalam peng at diabaikan

engujian yang meliputi pemb penguk embali terhadap kompone

nci yaitu :

kar mesin uji dari bagian pal tas katup) hingga cyllinder hea

pembong yang terdapat sisa pelumas,

dilakukan ncegah terkont

tetesan pe

• Dokumentasi dan pengambilan deposit dari ruang bakar yang meliputi kepala silinder, kepala piston, dan dinding silinder ruang bakar.

• Melakuka ngan deposit yang terdapat pada katup masuk dan keluar, serta deposit pada ruang bakar yang telah l sebelumnya. •

embali pada langkah persiapan pengujian untuk sampel bahan bakar karan, terutama pada bagian

pengeringan untuk me aminasinya deposit oleh lumas.

n penimba

diambi

Pengukuran volume dan tekanan injeksi bahan bakar dari setiap injektor serta dokumentasi bentuk spray injeksi yang dihasilkan oleh masing-masing injektor.

• Setelah semua pengukuran dan dokumentasi dilakukan, maka selanjutnya k