Simulasi CFD Pembakaran Non-Premixed Bahan Bakar Campuran
Bensin dan Etanol
Sudarno 1
1
adalah Mahasiswa Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta
Abstract
Most of the energy used today is obtained from fossil fuels. Since, the increasing use of fossil fuels and the fuel reserves are declining. So that need for efforts to reduce dependence on fossil fuels. Namely, with the method blending ethanol and gasoline. The purpose of this research is to analyze the characteristics of non-premixed combustion of the mixture using fluent CFD simulation. In this modeling domain used two dimensions to the size of the combustion chamber, i.e. length of 100 cm and 50 cm wide. Variations include a mixture of combustion fuel ethanol mass 0% - gasoline mass 100% called (E0), ethanol mass 25% - gasoline mass 75% called (E25), ethanol mass 50% - gasoline mass 50% called (E50), the operating pressure of 2 bars and 4bar and keep
the number
λ
= 1. In this simulation can be obtained from an analysis of the heatenergy of combustion and heat losses, flow patterns, temperature patterns, the pattern of pressure, velocity vector of each species and the composition of exhaust gas emissions. Where it can be concluded that with increasing pressure and increasing the percentage of ethanol into gasoline, the heat energy generated increases and the
exhaust emissions of CO2 and H2O decreased.
Keywords: CFD, non-premixed, ethanol, gasoline
PENDAHULUAN
Sebagian besar energi yang digunakan saat ini diperoleh dari bahan bakar fosil. Karena terus meningkatnya pemakaian bahan bakar fosil, serta tuntutan pemakaian energi yang bersih juga meningkat. Oleh karena itu, diupayakan sumber bahan bakar alternatif lain. Beberapa bahan bakar alternatif yang paling penting adalah biogas, gas alam, minyak nabati, Etil alkohol dan hidrogen. Etil alkohol atau lebih dikenal dengan nama Ethanol, merupakan salah satu sumber energi terbarukan dan diperoleh dari biomassa, telah diuji intensif dalam mesin pembakaran dalam. Beberapa perbandingan sifat-sifat Ethanol dengan Bensin diberikan dalam Tabel 1 .
Emisi gas buang dipengaruhi oleh kondisi bahan bakar dan kondisi oparasi dari mesin. Penambahan etanol yang mempunyai gugus OH kedalam gasoline akan meningkatkan jumlah oksigen dalam bahan bakar. Sehingga akan meningkatkan emisi gas buang CO2 dan
menurunkan emisi gas buang CO, HC, dan NOx. Sementara emisi CO2 juga
dipengaruhi oleh λ. Pada campuran etanol-gasoline, emisi CO2 minimum
Hu seyin et.al. [3] malakukan pengujian bahan bakar bensin murni (E0) dan campuran bensin etanol E10, E20, E40 dan E60 pada mesin bensin dengan variasi kondisi putaran mesin mulai dari 2000, 3500 dan 5000 rpm dan pada rasio udara dan bahan bakar stoikiometri. Campuran bensin etanol E10, E20, E40 dan E60, menunjukkan persentase dari nilai volumetrik etanol. Percobaan dilakukan pada enam rasio kompresi yang berbeda mulai 8:01-13:01 untuk setiap bahan bakar dan dampak emisi gas buang diselidiki. Rasio kemurnian etanol adalah 99,5%. Sifat etanol-bensin tanpa timbal dicampur bahan bakar ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2. Sifat-sifat campuran bensin-etanol
Dari hasil kesimpulan Hu seyin et.al. [3] bahan bakar mengandung rasio etanol yang tinggi, yaitu E40 dan E60 memiliki pengaruh yang berarti pada pengurangan emisi gas buang. Penurunan HC dan CO maksimum diperoleh dengan bahan bakar E40 dan E60 pada putaran mesin 2000 rpm. Rata-rata ditemukan penurunan 11% dan 10,8% pada masing-masing E40 dan E60. Penurunan yang terbaik diperoleh pada HC dibandingkan dengan CO. Penurunan maksimum Emisi HC diperoleh menggunakan E60 sebagai rata-rata 16,45% pada 5000 rpm kecepatan mesin.
Yung-Chen Yao et. al. [2]
menyelidiki bahan bakar E0, E3, E10, E15 dan E20. Pada masing-masing bahar bakar dikontrol agar mempunyai harga RON mendekati 95. Sedang pengujian digunakan mesin sepeda motor roda dua
dengan mengambil kondisi opersional mendekati pemakaian yang sebenarnya di lapangan. Yaitu dengan kecepatan antara 19 km/jam samapai 50 km/jam dengan total jarak tempuh 4 km.
Dari hasil pengujian Yung-Chen Yao
et. al. [2], menunjukkan adanya
penurunan emisi gas CO dan NOx dengan bertambahnya kandungan etanol pada bensin sampai batas E15. Namun dengan dengan bertambahnya lebih dari E15 emisi gas CO dan NOx mengalami peningkatan kembali.
Tujuan simulais CFD ini adalah untuk menginvestigasi pengaruh variasi campuran bensin etanol dan kondisi tekanan operasi terhadap pola aliran, energi panas yang dibangkitkan beserta rugi-rugi panasnya, distrubusi tekanan, distribusi temperatur dan emisi gas buang motor bensin pada lamda tetap λ = 1.
METODE PENELITIAN
Bahan bakar campuran terdiri dari Bensin (C8H18) dan Etanol (C2H5OH)
yang terdapat pada data based program fluent. Dengan asumsi kadar kemurnian Etanol 100%. Campuran dibuat bedasarkan rasio perbandingan massa masing-masing bahan bakar. Campuran 100% massa Bensin dan 0% massa Etanol dinamakan E0, campuran 75% massa Bensin dan 25% massa Etanol dinamakan E25 dan campuran 50% massa Bensin dan 50% massa Etanol dinamakan E50.
Pembakaran dilakukan pada harga λ = 1, yang berarti perbandingan udara dan bahan bakar terjadi secara stokiometri pada setiap bahan bakar E0, E25 dan E50. Sedangkan kondisi operasi reaksi pembakaran divariasikan pada tekanan 2 bar dan 4 bar. Untuk menjamin nilai lamda sesuai dengan stokiometri, pada permukaan batas model fluent pemasukan udara dan bahan bakar ke dalam ruang bakar di terapkan Mass Flow Rate. Sedangkan pada gas buang di terapkan model pressure outlet.
Reaksi pembakaran secara stokiometri pada masing-masing bahan bakar (E0, E25 dan E50) serta kandungan oksigen dan nitrogen dalam udara 21%O2
dan 79%N2, maka persamaan reaksi dapat
tulis sebagai berikut : a. Reaksi Stokiometri E0
C8H18 + 12,5O2 + 47,02 N2 →
8CO2 + 9H2O + 47,02 N2
b. Reaksi Stokiometri E25
C2H5OH + 1,21 C8H18 + 22,13 O2 +
68,17 N2 →11,68 CO2 + 13,89 H2O +
68,17 N2
c. Reaksi Stokiometri E50
C2H5OH + 0,4C8H18 + 12 O2 + 30,08
N2 →5,2CO2 + 6,6H2O + 30,08 N2
Model simulasi CFD dilakukan dengan menggunakan pendekatan metode dua dimensi presisi ganda (2ddp) pada domain seperti terlihat gambar-1
Gambar-1. Model CFD
Dalam simulasi CFD ini dilakukan model pembakaran non-premixed dan non-adiabatik. Diamana adanya energi radiasi yang diperhitungkan serta konveksi dinding oleh udara sekitar dengan mengasumsikan koefisien konveksi, h = 20 W/m2K.
Model Turbulent dipilih dalam simulasi, karena dalam pembakaran
non-premixed terjadi difusi spesies oleh
adanya geradien tekanan dan propagasi kecepatan dalam nyala api yang terbentuk.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Dalam hasil simulasi CFD didapatkan data emisi gas buang berupa CO2, N2 dan H2O dalam molar. Secara
umum dengan bertambahnya tekanan dalam kondisi ruang bakar akan
meningkatkan konsentrasi emisi gas buang. Hal ini disebabkan karena dengan naiknya kondisi tekanan ruang bakar maka akan menaikkan temperatur sebelum pembakaran. Dalam proses motor pembakaran dalam dikenal dengan langkah proses isokorik, dimana berlaku persamaan 2 3 p p = 2 3 T T .
Pertambahan panas tersebut akan membantu proses pembakaran menjadi lebih sempurna. Hal tersebut terlihat pada gambar 2, gambar 3 dan gambar 4 di bawah.
Sementara dengan bertambahnya prosentase etanol dalam bensin akan menurunkan emisi gas buang CO2
maupun H2O. Hal ini ada kesamaan hasil
dengan yang diteliti oleh Hu seyin Serdar Yu cesu et. al [3]. Oleh sebab itu ada indikasi bahwa etanol dapat menjadi sumber energi alternatif yang ramah lingkungan.
Konsentrasi Molar CO2
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 E0 E25 E50
Jenis Campuran Bahan Bakar
k m o l 2bar-lmd1 4bar-lmd1
Gambar 2. Konsentrasi Molar CO2
Konsentrasi Molar N2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 E0 E25 E50
Jenis Campuran Bahan Bakar
k
m
o
l 2bar-lmd1
4bar-lmd1
Konsentrasi Molar H2O 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 E0 E25 E50
Jenis Campuran Bahan Bakar
k
m
o
l 2bar-lmd1
4bar-lmd1
Gambar 4. Konsentrasi Molar H2O
Model dalam Fluent CFD dibuat dalam dua dimensi secara simetris, sehingga pola aliran yang terbentuk sama dari sumbu sampai dinding bagian atas maupun dinding bagian bawah. Aliran partikel bergerak dari tekanan dinamik yang tinggi menuju tekanan dinamik yang lebih kecil. Yaitu mulai dari inlet masuk bahan bakar dan udara kearah sumbu dan menyebar ke dinding atas dan bawah. Seperti terlihat pada gambar 5.
Gambar 5. Pola Aliran
Vektor kecepatan pada masing-masing species, secara umum bahan bakar berada pada sumbu simetri mulai dari inlet dan dilingkupi oleh vektor kecepatan dari udara.
Sementara untuk vektor kecepatan CO2 terbesar terletak pada sisi inlet bahan
bakar, sedangkan untuk H2O baru
terbentuk setelah CO2.
Gambar 6. Vektor kecepatan N2
Gambar 7. Vektor kecepatan O2
Gambar 8. Vektor kecepatan C8H18
Gambar 10. Vektor kecepatan H2O
Dengan bertambahnya temperatur karena pembakaran, maka akan meningkatkan tekanan yang terjadi dalam ruang bakar. Tekanan semakin besar menjauhi inlet bahan bakar, karena difusi api bertambah besar. Seperti terlihat pada gambar 11.
Sedangkan dekat dengan inlet bahan bakar dan udara tekanan masih cukup kecil, karena api yang terbentuk masih sedikit. Hal ini disebabkan pada pembakaran non-premixed pencampuran bahan bakar dan udara terjadi secara propagasi pada batas paling luar api. Dimana secara spontan terjadi aliran massa dari dan ke campuran miskin dan campuran kaya yang berada didalam api dan di luar api yang terbentuk.
Gambar 11. Distribusi Tekanan Api mulai terbentuk setelah melewati atau di depan ujung inlet bahan bakar dan udara. Dan belum terbentuk di dekat inlet. Hal ini karena proses pencampuran bahan bakar dan udara mulai terbentuk setelah lewat meninggalkan inlet. Api yang terbentuk cukup kecil dan membesar seiring terjadinya difusi api yang disebabkan oleh geradien tekanan radial
dan propagasi kecepatan spesies yang menembus batas api paling luar.
Pada model ini tidak dilengkapi dengan Swirl Vanes, sehingga pencampuran bahan bakar dan udara tidak teerjadi lebih awal di dekat inlet. Namun setelah kurang lebih 70 cm baru mulai terjadi pencampuran dan mulai terjadi pertumbuhan api yang semakin besar.
Daerah nyala api pada ujung semakin lebar, namun temperaturnya menurun. Sedangkan mendekati inlet daerah nyala api mengecil, akan tetapi temperaturnya paling tingggi. Hal ini dapat dilihat pada gambar 12.
Gambar 12. Distribusi Temperatur Dalam gambar 13 terlihat secara umum energi total pembakaran meningkat dengan tambahnya prosentase etanol dalam bensin. Kandungan oksigen dalam etanol (C2H5OH) sangat membantu dalam
proses penyalaan awal. Sehingga proses pembakaran atau api dapat tejadi lebih awal dekat inlet bahan bakar. Dalam tabel-1 terlihat LHV Etanol lebih rendah dari bensin.
Dengan terbentuknya api lebih awal, maka proses difusi api lebih banyak dan energi panas yang dihasilkan lebih besar.
Total Energi Pembakaran
900000,000 920000,000 940000,000 960000,000 980000,000 1000000,000 1020000,000 1040000,000 E0 E25 E50
Jenis Campuran Bahan Bakar
W
a
tt 2Bar
4Bar
Karena pada simulasi ini digunakan parameter yang sama yaitu model domain, dinding, koefiensi konveksi, dan model fluent CFD. Maka kerugian panas mempunyai kecenderungan kurva yang hampir sama dengan pembangkitan energi pembakaran. Dimana semakin bertambah prosentase etanol yang ditambahkan ke bensin, semakin besar juga energi panas yang hilang. Kecenderungan itu dapat dilihat pada gambar 14.
Kerugian Panas Konveksi dan Radiasi
0 1000 2000 3000 4000 5000 E0 E25 E50
Jenis Campuran Bahan Bakar
W
a
tt 2Bar
4Bar
Gambar 14. Kerugian panas
KESIMPULAN
Dari hasil simulasi di atas dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : 1. Dengan adanya campuran etanol
dalam bensin akan membantu proses pembakaran non-premixed lebih awal. Kerena adanya unsur oksigen dalam campuran tersebut.
2. Energi yang dibangkitkan meningkat dengan bertambahnya prosentase etanol dalam campuran bahan bakar dan naiknya tekanan pada kondisi awal dalam ruang bakar. Energi yang terbesar terjadi pada jenis campuran E50 pada tekanan 4 bar.
3. Konsentrasi emisi gas buang CO2 dan
H2O menurun dengan bertambahnya
etanol dalam campuran.
4. Dengan bertambahnya daerah nyala api, maka akan meningkatkan tekanan statik disekitarnya.
Untuk selanjutnya penelitian dengan simulasi CFD akan dikembangkan pada jenis campuran dan variasi tekanan yang sama, namun ditambah variasi λ = 1; 1,2; dan 1,3.
DAFTAR PUSTAKA
Arapatsakos, C. I. , Karkanis, A. N. and Spare, P. D.(2003) 'Gas emissions and engine behavior when gasoline-alcohol mixtures are used', Environmental Technology, 24: 9, 1069 — 1077
Frank M. White,” Fluid Mechanics “, McGraw-Hill, Fourth Edition
Hu seyin Serdar Yu cesu , Tolga Topgul, Can Cinar, Melih Okur, (2006) “Effect of ethanol–gasoline blends on engine performance and exhaust emissions in different compression ratios “, elsevier, Database on-line. ScienceDirect ---, (2006) “Effect of ethanol–
gasoline blends on engine performance and exhaust emissions in different compression ratios “, elsevier, Database on-line. ScienceDirect
---, (2006) “Effect of ethanol– gasoline blends on engine performance and exhaust emissions in different compression ratios “, elsevier, Database on-line. ScienceDirect
Yung-Chen Yao , Jiun-Horng Tsai , Hung-Lung Chiang (2009), “
Effects of ethanol-blended
gasoline on air pollutant emissions
from motorcycle ”, elsevier,
Database on-line. ScienceDirect Rui de Abrantes, Joa˜o Vicente de
Assunça˜o, Ce´ lia Regina Pesquero, Roy Edward Bruns, Raimundo Paiva No´ brega, (2008) “Emission of polycyclic aromatic hydrocarbons from gasohol and ethanol vehicles “, elsevier, October, Database on-line. ScienceDirect
Thierry Poinsot, Denis Veynante, (2001) “Theoretical and Numerical
Combustion”, R.T. Edwards, Philadelphia
Willard W. Pulkrabek,” Engineering Fundamentals of the Internal
Combustion Engine”, Prentice
