Karakterisasi Unjuk Kerja Mesin Diesel Generator Set Sistem Dual- Fuel Solar dan Biogas dengan Penambahan Fan Udara Sebagai Penyuplai Udara

(1)

Seminar Nasional Pascasarjana XI – ITS, Surabaya 15 Agustus 2013 ISBN No.

Karakterisasi Unjuk Kerja Mesin Diesel Generator Set Sistem Dual- Fuel Solar dan Biogas dengan Penambahan Fan Udara Sebagai

Penyuplai Udara

Ari Budi Santoso, Bambang Sudarmanta Lab. TPBB Jurusan Teknik Mesin, FTI-ITS

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: tpbb@me.its.ac.id , khorank@yahoo.com

Abstrak

Sejalan dengan pengembangan biogas sebagai bahan bakar alternatif pada motor pembakaran dalam, maka dalam penelitian ini dilakukan aplikasi biogas pada mesin diesel melalui mekanisme sistem dual-fuel. Sasaran utamanya adalah selain untuk mengkarakterisasi unjuk kerja juga untuk mendapatkan subtitusi biogas yang maksimal pada mekanisme sistem dual-fuel. tersebut.

Karakterisasi unjuk kerja sistem dual-fuel dilakukan dengan pengujian mesin diesel pada putaran konstan 2200 rpm. Pembebanan dimulai dari beban 200 hingga 2000 Watt dengan interval kenaikan pembebanan 200 Watt. Mekanisme pemasukan biogas dilakukan dengan pemasangan pressure regulator dan mixer berbentuk venturi dan di dalamnya dipasang mixing jet. Pengaturan jumlah biogas yang dimasukan kedalam ruang bakar melalui pengaturan tekanan pada pressure regulator yaitu sebesar 1,5 kgf/cm2, 2,5 kgf/cm2, 2,5 kgf/cm2, 3 kgf/cm2, dan 3,5 kgf/cm2. Kebutuhan u dara mesin diesel yang turun dengan adanya penambahan bahan bakar biogas dipasok dengan menggunakan blower. Pengukuran dilakukan terhadap laju alir udara dan biogas, waktu konsumsi minyak solar 5,024 ml, temperatur: gas buang, oli pelumas, cairan pendingin, udara, dan biogas.

Hasil menunjukkan bahwa dengan penambahan biogas sebagai bahan bakar akan mengurangi konsumsi minyak solar rata-rata 35,08% dibandingkanstandar. Nilai specific fuel consumption (sfc) minyak solar saja mengalami penurunan dengan adanya penambahan biogas rata-rata hingga 50,72%

darikondisi sfc standar. Efisiensi termal mesin secara umum mengalami penurunan dengan penambahan biogas, rata-rata sebesar 12,57% dari kondisi standar single-fuel, penurunan AFR rata- rata sebesar 74,53% dari AFR standar single-fuel, serta dengan penambahan blower menambah kenaikan mass flowrate udara rata-rata sebesar 13,56%.

Kata kunci: Sistem Dual-Fuel, Biogas, Unjuk kerja.

1. Pendahuluan

Biogas merupakan teknologi lama yang sekarang menjadi perhatian sebagai bahan bakar alternatif untuk menggantikan bahan bakar konvensional saat ini, salah satunya aplikasi biogas sebagai pengganti bahan bakar konvensional adalah penggunaan biogas sebagai bahan bakar pada internal combustion engine melalui teknologi dual-fuel. Hal ini tentunya memberikan nilai ekonomi yang tinggi.

Teknologi aplikasi sistem dua-fuel ada 3 macam, antara lain LPIG ⁽Low Pressure Injected Gas), HPING (High Pressure Injected Gas), dan Combustion Air Gas Integration. Ketiganya dapat diaplikasikan untuk mesin yang menggunakan sistem dual-fuel. Teknologi LPIG (Low Pressure Injected Gas) bekerja dengan melakukan injeksi gas pada saluran isap mesin bakar. Teknologi HPING (High Pressure Injected Gas) bekerja dengan menyediakan gas langsung keruang bakar dengan tekanan yang sangat tinggi sekitar 3000 psi. Teknologi Combustion Air Gas Integration bekerja dengan mencampur udara dan bahan bakar gas sebelum memasuki saluran isap. Keuntungan dari

pemakaian sistem seperti ini antara lain murah secara ekonomis dibandingkan kedua sistem sebelumnya karena tidak menggunakan injektor maupun pompa bertekanan tinggi, tidak membutuhkan model yang rumit sehingga apabila suplai gas habis atau tersendat sistem akan langsung bekerja dengan 100% bahan bakar diesel. Sementara kerugian dari sistem ini adalah adanya kemungkinan gas sebagian keluar bersama gas buang pada saat katup isap dan buang terbuka bersamaan.

Sistem dual-fuel engine dengan solar sebagai bahan bakar pilot dan biogas sebagai bahan bakar utama, efisiensi termal (ηth) mesin pada tekanan 0,3 psi mengalami penurunan dengan penambahan biogas rata-rata sebesar 18,58%, penurunan AFR rata-rata sebesar 88,82%, serta kenaikkan temperatur cairan pendingin rata-rata sebesar 3,73%, kenaikkan temperatur minyak pelumas rata-rata sebesar 4,86%, dan kenaikkan temperatur gas buang rata-rata sebesar 5,17%.

Berdasarkan uraian tersebut maka dapat disimpulkan bahwa semakin besar tekanan biogas atau semakin banyaknya massa biogas yang masuk ke sistem, akan mengurangi massa

(2)

udara yang akan masuk ke ruang bakar. Sehingga AFR akan menurun dan terjadi pembakaran yang tidak sempurna di dalam ruang bakar. Untuk menanggulangi permasalahan tersebut, penelitian ini dilakukan dengan memodifikasi sitem pemasukan udara secara paksa dengan blower. Dengan adanya pemasukan udara oleh blower, diharapkan suplai udara yang berkurang akibat penambahan biogas dapat diatur sesuai kebutuhan mesin standar single-fuel sehingga efisiensi thermalnya tidak mengalami penurunan.

2. Tinjauan Pustaka 2.1 Teknologi Mesin Diesel

Mesin diesel bekerja dengan menghisap udara luar murni, kemudian dikompresikan sehingga mencapai tekanan dan temperatur yang tinggi. Sesaat sebelum mencapai TMA, bahan bakar diinjeksikan dengan tekanan yang sangat tinggi dalam bentuk butiran-butiran halus dan lembut. Kemudian butiran-butiran lembut bahan bakar tersebut bercampur dengan udara bertemperatur tinggi dalam ruang bakar dan menghasilkan pembakaran.

Pada mesin diesel terdapat beberapa tahap pembakaran, antara lain:

Gambar 1. Tahap Pembakaran pada Mesin Diesel

a. Ignition Delay Period

Tahapan ini merupakan periode atau rentang waktu yang dibutuhkan bahan bakar ketika saat pertama kali bahan bakar diinjeksikan (titik A) hingga saat pertamakali muncul nyala pembakaran (titik B) gambar 1. Artinya, selama periode tersebut tidak terjadi proses pembakaran.

b. Rapid or Uncontroller Combustion

Adalah periode awal pembakaran hingga flame mulai berkembang yang diindikasikan oleh area B-C pada gambar 1.

c. Controlled Combustion

Pada tahap ini terjadi apa yang disebut seperti diindikasikan oleh area C-D pada gambar 1, dimana bahan bakar segera terbakar setelah diinjeksikan. Hal ini disebabkan nyala pembakaran yang terjadi pada periode

sebelumnya bergerak bersama menuju droplet- droplet yang baru diinjeksikan.

d. After Burning

Meskipun pada tahap ketiga telah selesai proses injeksi bahan bakar, kenyataannya masih ada bahan bakar yang belum terbakar seluruhnya. Dalam hal ini nyala pembakaran terus berkembang membakar bahan bakar yang tersisa pada ruang bakar. Periode ini disebut juga after burning yang diindikasikan oleh area setelah titik D pada Gambar 1.

2.2 Biogas

Biogas merupakan renewable energy yang dapat dijadikan bahan bakar alternatif untuk menggantikan bahan bakar yang berasal dari fosil seperti minyak tanah dan gas alam. Biogas dihasilkan oleh proses pemecahan bahan limbah organik yang melibatkan aktivitas bakteri anaerob dalam kondisi anaerobik dalam suatu digester.

Gambar 2. Proses Pembuatan Biogas

2.3 Teknologi Sistem Dual-Fuel

Combustion Air Gas Integration merupakan teknologi dual-fuel diesel engine yang memiliki dua sistem penyuplai bahan bakar yang berbeda.

Dalam sistem ini bahan bakar gas disebut sebagai bahan bakar primer dan bahan bakar minyak solar disebut sebagai bahan bakar sekunder yang bertindak sebagai pilot fuel [10].

Gambar 3. Mixer pada Teknologi Combustion Air Gas Integration

Pada sistem bahan bakar tunggal, mesin diesel bekerja dengan menghisap udara murni dari luar. Akan tetapi untuk sistem dual-fuel,

(3)

yang masuk ke dalam ruang bakar tidak hanya udara murni. Udara tersebut akan masuk bersamaan dengan sejumlah bahan bakar gas.

Mekanisme pencampuran udara dan bahan bakar gas tersebut dapat terjadi di dalam mixer yang berbentuk yang berbentuk venturi, dengan menggunakan injektor gas yang bertekanan tinggi yang langsung menginjeksikan gas ke ruang bakar, serta menggunakan injektor gas bertekanan rendah yang diletakkan di mulut saluran isap dan hanya akan menginjeksikan gas pada saat katup isap terbuka.

3. Metode Penelitian

3.1 Pengujian pada Kondisi Standar dengan Bahan Bakar Minyak Solar

Percobaan dilakukan pada mesin diesel YANMAR TF55R putaran mesin tetap (stationary speed) 2000 rpm dengan variasi beban listrik mulai dari 200 Watt – 2000 Watt. Pengambilan data dilakukan setiap satu variasi pembebanan.

Adapun data-data yang diambil antara lain, ∆L manometer udara (untuk mengetahui mass flowrate kebutuhan udara), waktu konsumsi minyak solar setiap 5,024 ml, temperature udara masuk, oli pelumas, cairan pendingin, dan gas buang, Serta, tegangan listrik (V) dan arus listrik (I).

3.2 Pengujian dengan Bahan Bakar Kombinasi Biogas-Minyak Solar

Percobaan dilakukan pada mesin diesel YANMAR TF55R dengan putaran mesin tetap (stationary speed) 2000 rpm serta variasi beban listrik 200 Watt – 2000 Watt. Pada Pengujian kedua ini terdapat penambahan variasi peralatan percobaan berupa mixer, blower, dan tabung gas.

Mixer digunakan untuk mencampur bahan bakar gas dan udara sebelum memasuki intake manifold mesni diesel. Penambahan blower ditujukan untuk menyuplai udara yang porsinya berkurang dengan adanya pemasukan bahan bakar gas.

Sama halnya dengan pengujian yang pertama, pengambilan data dilakukan setiap satu variasi pembebanan. Adapun data-data yang diambil antara lain, ∆L manometer udara (untuk mengetahui mass flowrate kebutuhan udara), waktu konsumsi minyak solar setiap 5,024 ml, temperature udara masuk, oli pelumas, cairan pendingin, dan gas buang, Serta, tegangan listrik (V) dan arus listrik (I).

Gambar 4. Skema Peralatan Percobaan

4. Pembahasan Hasil

Daya adalah ukuran kemampuan dari suatu mesin untuk menghasilkan kerja yang berguna persatuan waktu yang dinyatakan dalam daya kuda (dk) atau horse power (HP). Berikut adalah grafik daya terhadap penambahan beban untuk single-fuel dan dual-fuel.

Gambar 5. Daya amesin fungsi Beban Listrik

Berdasarkan grafik daya fungsi beban listrik yang terlihat pada gambar 3, besarnya nilai daya yang diperlukan akan naik dengan bertambahnya beban listrik yang diberikan sebagai kompensasi bertambahnya bahan bakar yang masuk ke ruang bakar, sehingga dengan bertambahnya bahan bakar menyebabkan semakin banyak energi yang dapat dikonversi menjadi energi panas dan mekanik dengan udara yang cukup. Energi menjadikan daya mesin semakin besar, sesuai dengan beban yang diberikan kepada mesin.

Torsi merupakan ukuran kemampuan dari mesin untuk menghasilkan kerja. Torsi dari mesin berguna untuk mengatasi hambatan sewaktu beban diberikan ke poros mesin.

Sehingga dapat disimpulkan, bahwah torsi akan semakin besar apabila beban yang diberikan juga semakin besar. Berikut adalah grafik torsi terhadap penambahan beban untuk single- fuel, dan dual- fuel.

Berdasarkan grafik torsi fungsi beban, untuk pembebanan yang sama antara singl-fuel dan dua-fuel (semua variasi tekanan biogas), nilai torsi hampir tidak ada perubahan. Hal ini sesuai dengan perumusan dari torsi apabila putaran

(4)

mesin dijaga konstan. Idealnya untuk putaran mesin konstan torsi akan sebanding dengan bertambahnya daya, karena nilai putaran tidak berpengaruh pada perubahan nilai torsi mesin.

Gambar 6. Torsi Mesin fungsi Beban Listrik Tekanan efektif rata-rata didefinisikan sebagai tekanan tetap rata-rata teoritis yang bekerja sepanjang langkah kerja piston sehingga meghasilkan daya yang sama dengan daya poros efektif.

Gambar 7. Bmep fungsi Beban Listrik

Berdasarkan grafik bmep fungsi beban diatas, terlihat bahwa nilai bmep mempunyai kecenderungan naik seiring dengan bertambahnya beban. Hal ini berlaku terhadap semua pengujian, baik yang singl- fuel maupun dual-fuel. Dari grafik bmep fungsi beban diatas juga terlihat nilai bmep untuk semua pengujian (single-fuel dan dual-fuel) dan pada pembebanan yang sama, nilai bmep tidak berbeda jauh.

Spesifik Fuel Consumption (SFC) adalah jumlah bahan bakar yang dikonsumsi mesin untuk menghasilkan daya efektif 1 HP selama 1 jam.

Berdasarkan grafik sfc fungsi beban, nilai sfc untuk semua pengujian mengalami penurunan dengan bertambahnya pembebanan. Untuk pengujian single-fuel penurunan nilai sfc dengan penambahan beban terjadi karena massa bahan bakar solar selalu konstan sementara waktu konsumsi bahan bakar semakin sedikit saat beban listrik ditambah. Jadi dengan bertambahnya beban (hambatan), torsi mesin harus diperbesar dengan cara menaikkan tekanan di ruang bakar (bmep). Sedangkan naiknya tekanan di ruang bakar terjadi ketika tedapat lebih banyak bahan bakar yang dibakar di dalam ruang bakar.

Demikian pula saat penggunaan biogas, ketika konsumsi biogas di jaga konstan untuk setiap pembebanan, mass flowrate biogas tidak berubah. Dengan penambahan biogas akan mengakibatkan waktu yang diperlukan untuk konsumsi minyak solar semakin lama. Namun, seiring dengan penambahan beban dan massflowrate biogas yang konstan, waktu konsumsi solar akan menurun. Sehingga nilai sfc menurun dengan penambahan beban. Hal ini berlaku untuk semua variasi tekanan biogas.

Untuk pembebanan yang sama, nilai sfc semakin naik dengan bertambahnya tekanan biogas. Hal ini disebabkan karena dengan penambahan biogas akan menyebabkan mass flowrate biogas naik dan mass flowrate solar semakin kecil. Berdasarkan perumusan sfc, mass flowrate biogas yang semakin bertambah akan menyebabkan sfc naik. Dengan naiknya mass flowrate biogas, mass flowrate solar akan turun dan faktor ini lah yang menyebabkan sfc turun.

Namun penurunan mass flowrate solar ini tidak sebanding dengan naiknya mass flowrate biogas sehingga sfc naik seiring dengan bertambahnya tekanan biogas.

Gambar 8. Sfc Solar Dual fungsi Beban Listrik

Pada Gambar 6 ditunjukkan perbandingan konsumsi bahan bakar spesifik minyak solar saja untuk single fuel dan pada saat dual fuel dioperasikan.Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa secara umum konsumsi minyak solar dual mengalami penurunan dari kondisi berbahan bakar solar single.

Gambar 9. Persentase Penggantian Konsumsi Minyak Solar Oleh Biogas pada Mesin fungsi Beban Listrik

Dengan adanya penambahan jumlah biogas yang masuk ke dalam ruang bakar melalui variasi tekanan biogas, berarti jumlah biogas

(5)

yang masuk ke ruang bakar dapat menggantikan sejumlah bahan bakar minyak solar untuk mendapatkan daya yang dibutuhkan untuk mengatasi beban listrik.

Pada gambar 9 dapat dilihat jumlah persentase minyak solar yang digantikan oleh biogas setiap penambahan biogas dan beban listrik. Setiap kenaikan tekanan biogas yang keluar dari pressure regulator, maka terjadi kenaikan laju alir massa biogas yang masuk ke dalam ruang bakar. Setiap kenaikan laju alir massa biogas, maka besarnya jumlah persentase minyak solar yang diinjeksikan ke dalam ruang bakar untuk menjaga putaran mesin konstan akan semakin turun. Sehingga jumlah persentase minyak solar yang digantikan akan semakin besar. Saat beban listrik semakin besar, jumlah minyak solar semakin banyak untuk menjaga putaran konstan sehingga persentase pergantian semakin kecil.

Gambar 10. Efisiensi Thermal fungsi Beban Listrik

Dari gambar 8, terlihat bahwa efisiensi termal untuk semua pengujian hampir tidak ada perbedaan. Namun nilai efisiensi thermal tertinggi ada pada penggunaan single fuel, dan kemudian diikuti penurunan nilai efisiensi termal saat laju alir massa biogas yang direpresentasikan oleh besar tekanan biogas dilakukan penambahan. Secara umum besar energi input melalui bahan bakar yang masuk ke ruang bakar lebih besar pada dual-fuel untuk beban yang sama karena terdapat dua bahan bakar yang masing-masing memiliki potensi energi panas yang nantinya akan dirubah mrnjadi energi mekanik untuk memutar poros engkol mesin. Hal ini sesuai dengan perumusan efisiensi thermal. Pada grafik di atas juga ditunjukkan bahwa efisiensi termal maksimum untuk kondisi single-fuel dan kondisi dual-fuel berada pada kisaran beban (80-90) % . Kemudian setelah itu efisiensi termal menurun karena jumlah energi input yang masuk ke ruang bakar sudah terlalu besar atau campuran dalam ruang bakar kaya akan bahan bakar.

Gambar 11. AFR fungsi Beban Listrik

Grafik di atas menunjukkan perbedaan yang sangat besar antara AFR single-fuel dengan dual- fuel. Hal ini disebabkan jumlah bahan bakar biogas yang masuk dalam sistem dual-fuel jauh lebih besar, meskipun dengan penambahan biogas laju alir massa minyak solar berkurang.

Pada percobaan single fuel, nilai AFR berkisar antara 26-76. Menurut Heywood, idealnya AFR untuk mesin diesel berada dalam kisaran 18≤ AFR ≤80. Hal ini berarti pengujian single fuel sudah memenuhi syarat AFR mesin diesel standar.

Untuk dual fuel, nilai AFR berkisar antara 9- 19. Ini berarti pengujian dual fuel masih belum memenuhi syarat AFR. Pada pengujian dual-fuel, semakin bertambah tekanan biogas pada pembebanan yang sama, Nilai AFR turun. Hal ini disebabkan karena semakin banyaknya bahan bakar biogas yang dimasukkan ke ruang bakar.

Bertambahnya beban listrik menyebabkan AFR berkurang. Untuk setiap kondisi tekanan biogas, AFR turun sejalan dengan penambahan beban. Hal ini disebabkan karena untuk mengatasi pertambahan beban, mesin harus menghasilkan daya yang besar pula. Daya yang membesar ini dihasilkan dari pembakaran bahan bakar yang semakin banyak, dan bahan bakar yang di tambah adalah solar karena bahan bakar biogasnya dimasukkan secara konstan.

Fungsi blower pada pengujian adalah menyuplai mass flowrate udara yang berkurang akibat penambahan bahan bakar biogas. Garafik di bawah menunjukkan besarnya mass flowrate udara yang di suplai blower fungsi tekanan biogas.

Gambar 12. Grafik Suplai Udara Blower fungsi Tekanan Biogas

(6)

5. Kesimpulan

Dari hasil penelitian ini dan serangkaian pengujian yang dilakukan, dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :

a) Secara umum sistem dual-fuel biogas- solar, dengan penambahan biogas sebagai bahan bakar akan mengurangi konsumsi minyak solar rata-rata 35,08%

b) Nilai specific fuel consumption (sfc) sitem dual fuel mengalami peningkatan yang cukup besar rata-rata sebesar 326,95% dari nilai specific fuel consumption (sfc) single fuel .

c) Nilai specific fuel consumption (sfc) solar pada sistem dual-fuel mengalami penurunan maksimal sebesar 50,72%

dari nilai specific fuel consumption (sfc) solar pada sistem single-fuel.

d) Efisiensi thermal (ηth) mesin pada sistem dual fuel mengalami penurunan rata-rata sebesar 12,57% dari efisiensi thermal (ηth) mesin pada sistem single- fuel.

e) Air fuel ratio (AFR) pada sistem dual- fuel mengalami penurunan rata-rata sebesar 74,53% dari Air fuel ratio (AFR) pada sistem single-fuel.

f) Dengan penambahan blower, mass flowrate udara pada sistem dual-fuel mengalami kenaikan rata-rata sebesar 13,56% dari nilai mass flowrate udara pada single-fuel.

7. Pustaka

1. Martinez, J. Daniel. ”Experimental study on biomass gasification in a double air stage downdraft reactor”, Brazil, 2011.

2. Musanif. Jamil, A., Ardisasmita, Wildan & Nababan, David Manariur., Program BEP-Biogas Skala Rumah Tangga, Direktur Jenderal Pengolahan dan Pemasaran Hasil Pertanian, 2006.

3. Nasution, A.S., Proses Pembuatan Bahan Bakar Bensin dan Solar Ramah Lingkungan, Pusat penelitian dan pengembangan teknologi minyak dan gas bumi, Jakarta, 2010.

4. Mathur, M.L.,& Sharma, R.P., A Course in Internal Combustion Engine 3^rd edition, Dhanpat Rai & Sons, Nai Sarak, Delhi, 1980.

5. Robert W. Fox, Alan T. McDonald, Philip J.Pritchard, Introduction to Fluid Mechanics 6^th edition, John Wiley &

Sons, Denver, 2003.

6. Haryati. Tuti., Limbah Ternak yang Menjadi Sumber Energi Alternatif, Balai Penelitian Ternak, Bogor, 2006.

7. Kawano, D. Sungkono., Motor Bakar Torak (Diesel), Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS, Surabaya, 2011.

8. John, B. Heywood, Internal Combustion Engine, Mc GrawHill, London, 1988.

9. Bedoya, I.D., Effect of Mixing System and Pilot Fuel Quality on Diesel- Biogas Dual Fuel Engine Performance, Bioresearch Technology, Colombia, 2009.

10. Prahmana, R.A., Karakterisasi Unjuk Kerja Mesin Diesel Generator Set Sistem Dual Fuel Solar dan Biogas, Tugas Akhir, Jurusan Teknik Mesin, Institut Teknologi Sepuluh November, Surabaya, 2010.

11. Da Costa, Joaquim., Optimasi Produktivitas Gas CH4 pada Reaktor Biogas Type Horizontal dengan Pengaturan Suhu dan Pengadukan, Tesis Akhir, Jurusan Teknik Mesin FTI- ITS, Surabaya, 2011.

12. Praptijanto, A., B.Santoso, W., Putrasari, Y., Simulasi Uji performance Pada Motor Diesel Injeksi Langsung (1 Silinder) 677 CC Menggunakan Bahan Bakar Dual Fuel (Diesel- Sekam Padi), Lab. Motor Bakar Puslit Telimek, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia, Bandung, 2009.