KAJIAN PERFORMANSI DAN EMISI GAS BUANG MESIN OTTO

Transkripsi

1 KAJIAN PERFORMANSI DAN EMISI GAS BUANG MESIN OTTO BERBAHAN BAKAR BIOGAS DAN PREMIUM MENGGUNAKAN BLOWER SEBAGAI TURBOCHARGER DAN KNALPOT YANG DIMODIFIKASI MENJADI CATALYTIC CONVERTER SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Oleh : Muhammad Iqbal Hasibuan ( ) DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N 2016

2 ABSTRAK Biogas sebagai salah satu bahan bakar alternatif berwujud gas pengganti bahan bakar fosil yang semakin tak mencukupi kebutuhan dan kurang ramah lingkungan. Akan tetapi biogas dengan kadar gas metana hanya 50%-60% belum maksimal meningkatkan performansi mesin dan menurunkan emisi gas buang. Maka untuk itu penelitian ini bertujuan untuk menganalisa hasil pengujian mesin genset otto 4 tak berbahan bakar premium dan biogas dengan alat pemampat udara jenis blower sebagai turbocarjer dan katalitik konverter untuk mengurangi emisi gas buang. Penggunaan alat blower turbocarjer dan katalitik converter pada mesin genset otto 4 langkah akan memberikan pengaruh terhadap performansi (daya, torsi, SFC, Efisiensi Termal, dan AFR) dan emisi (CO, HC, CO 2, dan O 2 ) yang dihasilkan oleh bahan bakar premium dan biogas. Pada Penelitian ini dilakukan dengan beban 100 watt, 200 watt, 300 watt, 400 watt, dan 500 watt. Daya maksimum terjadi pada bahan bakar premium beban 500 watt pada putaran 2726,29 rpm, yaitu 427,56 watt. Torsi maksimum terjadi pada bahan bakar premium beban 500 watt pada putaran 2726,29 rpm, yaitu 1,49 Nm. SFC minimum terjadi pada bahan bakar premium beban 500 watt pada putaran 2726,29 rpm, yaitu 1042,36 g/kw jam. Efisiensi Termal maksimum terjadi pada bahan bakar premium beban 500 watt pada putaran 2726,29 rpm, yaitu 8,1 %. AFR maksimum terjadi pada bahan bakar premium beban 100 watt pada putaran 2834,86 rpm, yaitu 17,93. Emisi CO minimum terjadi pada bahan bakar biogas beban 100 watt pada putaran 2947,7 rpm, yaitu 0,06 %. Emisi HC minimum terjadi pada bahan bakar premium beban 500 watt pada putaran 2726,29 rpm, yaitu 214 ppm. Emisi CO 2 minimum terjadi pada bahan bakar premium beban 100 watt pada putaran 2834,86 rpm, yaitu 1,58 %. O 2 maksimum terjadi pada bahan bakar premium beban 100 watt pada putaran 2834,86 rpm, yaitu 14,93 %. Kata kunci : Biogas, Premium, Blower, Turbocarjer, Katalitik Konverter, Performansi, Emisi..

3 ABSTRACT Biogas as one of gaseous alternative fuels instead of fossil fuels are increasingly not sufficient and less environmentally friendly. But biogas with a methane content of only 50% -60% is not maximized improve engine performance and reduce exhaust gas emissions. So for this study aims to analyze the test results otto 4 stroke engine generator premium fuel and biogas by means of blower type air compressor as turbocarjer and catalytic converters to reduce exhaust emissions. The use of blower turbocarjer and catalytic converter in the engine generator set otto 4 steps will impact the performance (power, torque, SFC, Thermal Efficiency and AFR) and emissions (CO, HC, CO 2 and O 2 ) generated by premium fuel and biogas. In this study was conducted with a load of 100 watts, 200 watts, 300 watts, 400 watts and 500 watts. Maximum power occurred on premium fuel load of 500 watts at rpm rotation, namely watts. The maximum torque occurs at a premium fuel load of 500 watts at rpm rotation, namely 1.49 Nm. SFC minimum occurred on premium fuel load of 500 watts at rpm rotation, it s g / Kw hour. Thermal efficiency maximum occurred on premium fuel load of 500 watts at rpm rotation, it s 8.1%. AFR maximum occurred on premium fuel load of 100 watts at rpm rotation, it s Minimum CO emissions occur on biogas fuel load of 100 watts at rpm rotation, it s 0.06%. HC emission minimum occurred on premium fuel load of 500 watts at round rpm, which it s 214 ppm. Minimum CO 2 emissions occurred on premium fuel load of 100 watts at rpm rotation, it s 1.58%. O 2 maximum occurred on premium fuel load of 100 watts at rpm rotation, it s 14.93%. Keywords: Biogas, Premium, Blower, Turbocharger, Catalytic, Performance, Emissions.

4 KATA PENGANTAR Puji dan syukur saya ucapkan kepada Allah SWT Tuhan Yang Maha Esa, atas rahmat dan nikmat-nya yang tak terbatas. Shalawat dan salam sebagai penghormatan kepada Rasulullah SAW insya allah kita dapat memperoleh syafa at di akhirat kelak. Skripsi ini saya persembahkan terkhusus untuk kedua orang tua dan keluarga besar saya di kampung yang banyak memberikan inspirasi dan motivasi untuk menyelesaikan skripsi ini. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu KAJIAN PERFORMANSI DAN EMISI GAS BUANG MESIN OTTO BERBAHAN BAKAR BIOGAS DAN PREMIUM MENGGUNAKAN BLOWER SEBAGAI TURBOCHARGER DAN KNALPOT YANG DIMODIFIKASI MENJADI CATALYTIC CONVERTER Selama penulisan skripsi ini, penulis juga banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu penulis juga mengucapkan terima kasih kepada : 1. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc selaku dosen pembimbing, yang selalu bersedia meluangkan waktu dalam memberikan bimbingan serta masukan dalam penyelesaian tugas sarjana ini. 2. Bapak Dr.Ing.Ir Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin USU yang memberikan kesempatan kepada penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini. 3. Bapak/Ibu Karyawan PT. Multimas Nabati Asahan Kuala Tanjung. 4. Kawan satu partner skripsi Jefri Fiananda, yang saling percaya dan memberi semangat satu sama lain. 5. Seluruh Dosen dan Pegawai Departemen Teknik Mesin USU yang telah memberikan kesempatan dan urusan administrasi.

5 6. Teman-teman Teknik Mesin khususnya Stambuk 2011 yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang telah banyak memberikan bantuan serta semangat bagi penulis. 7. Semua adek-adek di Teknik Mesin USU yang telah banyak memberikan doa serta semangat bagi penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini. Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurangan dan kekeliruan dalam penulisan skripsi ini. Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima saran dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima kasih. Medan, Oktober 2016 Penulis Muhammad Iqbal Hasibuan NIM

6 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... i DAFTAR ISI... iii DAFTAR GAMBAR... vii DAFTAR TABEL... xii DAFTAR NOTASI... xvi BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Tujuan Pengujian ManfaatPengujian BatasanMasalah Metodologi Penelitian Sistemetika Penulisan... 6 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Motor Bakar Prinsip Kerja Parameter Prestasi Mesin Performansi Mesin Teori Pembakaran Nilai Kalor Bahan Bakar Rasio Udara-Bahan Bakar Bahan Bakar Hidrokarbon Bahan Bakar Bensin Bahan Bakar Gas Sejarah Biogas Defenisi Biogas Karakteristik Bahan Bakar Biogas Nilai Kalor Biogas Pemurnian Biogas Proses Pembuatan Biogas... 22

7 2.3.7 Kelebihan dan Kekurangan Biogas Emisi Gas Buang Sumber Emisi Komposisi Kimia Bahan Penyusun Turbocarjer Turbocarjer Elektrik Katalitik Konverter Prinsip Kerja Katalitik Konverter BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat Alat dan Bahan Alat Bahan Metode Pengumpulan data Metode Pengolahan data Pengamatan dan Tahap Pengujian Prosedur Pengujian Performansi Prosedur Pengujian Emisi Gas Buang BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN 4.1 Daya Perhitungan Daya Mesin Otto Berbahan Bakar Premium menggunakan Turbocharger dan Catalytic Perhitungan Daya Mesin Otto Berbahan Bakar Biogas menggunakan Turbocharger dan Catalytic Pembahasan dan Perbandingan Daya Torsi Perhitungan Torsi Mesin Otto Berbahan Bakar Premium menggunakan Turbocharger dan Catalytic... 60

8 4.2.2 Perhitungan Torsi Mesin Otto Berbahan Bakar Biogas menggunakan Turbocharger dan Catalytic Pembahasan dan Perbandingan Torsi Specifiec Fuel Consumption (SFC) Perhitungan SFC Mesin Otto Berbahan Bakar Premium menggunakan Turbocharger dan Catalytic Perhitungan SFC Mesin Otto Berbahan Bakar Biogas menggunakan Turbocharger dan Catalytic Pembahasan dan Perbandingan SFC Brake Thermal Efficiency (BTE) Perhitungan BTE Mesin Otto Berbahan Bakar Premium menggunakan Turbocharger dan Catalytic Perhitungan BTE Mesin Otto Berbahan Bakar Biogas menggunakan Turbocharger dan Catalytic Pembahasan dan Perbandingan BTE Air-Fuel Ratio (AFR) Perhitungan AFR Mesin Otto Berbahan Bakar Premium menggunakan Turbocharger dan Catalytic Perhitungan AFR Mesin Otto Berbahan Bakar Biogas menggunakan Turbocharger dan Catalytic Pembahasan dan Perbandingan AFR Pengujian Emisi Gas Buang Emisi Gas Buang Mesin Otto Berbahan Bakar Premium menggunakan Turbocharger dan Catalytic Emisi Gas Buang Mesin Otto Berbahan Bakar Biogas menggunakan Turbocharger dan Catalytic... 95

9 4.7 Pembahasan dan Perbandingan Hasil Uji Emisi Gas Buang Pembahasan dan Perbandingan Kadar Emisi CO Pembahasan dan Perbandingan Kadar Emisi HC Pembahasan dan Perbandingan Kadar Emisi CO Pembahasan dan Perbandingan Kadar Emisi O Pembahasan Nilai Ekonomis Bahan Bakar BAB V KESIMPULAN 5.1 Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA... xvii LAMPIRAN

10 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Diagram P-V siklus otto...8 Gambar 2.2 Diagram T-S Siklus otto...9 Gambar 2.3 Prinsip kerja motor 4 (empat) langkah...10 Gambar 2.4 Diagram Alir Prestasi Mesin...11 Gambar 2.5 Penyulingan Minyak...16 Gambar 2.6 Proses Pemurnian Biogas...22 Gambar 2.7 Proses Pembuatan biogas Sederhana...23 Gambar 2.8 Turbocharger...29 Gambar 2.9 Prinsip Kerja Turbocharger...30 Gambar 2.10 Catalytic...31 Gambar 3.1 Kompresor...34 Gambar 3.2 Genset STARKE Tipe GFH1900LX...34 Gambar 3.3 Engine Emission Tester Sukyong SY-GA Gambar 3.4 Tachometer Digital...36 Gambar 3.5 Multimeter...37 Gambar 3.6 Tangki Bahan Bakar...38 Gambar 3.7 Karburator Termodifikasi...39 Gambar 3.8 Manometer...39 Gambar 3.9 Regulator dan Flowmeter Gas...40 Gambar 3.10 Alat Bantu Perbengkelan...40 Gambar 3.11 Stopwatch...41

11 Gambar 3.12 Bola Lampu Pijar...41 Gambar 3.13 Turbocharger...42 Gambar 3.14 Katalitik Konverter...42 Gambar 3.15 Diagram Alir Pengujian Performansi Mesin dengan Premium...46 Gambar 3.16 Diagram Alir Pengujian Performansi Mesin dengan Biogas...47 Gambar 3.17 Diagram Alir Pengujian Emisi Gas Buang Mesin...49 Gambar 3.18 Set Up Pengujian Performansi dan Emisi Mesin Otto Berbahan Bakar Premium...50 Gambar 3.19 Set Up Pengujian Performansi dan Emisi Mesin Otto Berbahan Bakar Biogas...50 Gambar 4.1 Grafik Putaran vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Premium dan Biogas (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic )...54 Gambar 4.2 Grafik Daya vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Premium dan Biogas (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic )...55 Gambar 4.3 Grafik Daya vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Premium (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic )...56 Gambar 4.4 Grafik Putaran vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Premium (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic )...57

12 Gambar 4.5 Grafik Daya vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Biogas (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic )...58 Gambar 4.6 Grafik Putaran vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Biogas (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic )...59 Gambar 4.7 Grafik Torsi vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Premium dan Biogas (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic )...63 Gambar 4.8 Grafik Torsi vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Premium (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic )...64 Gambar 4.9 Grafik Torsi vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Biogas (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic )...65 Gambar 4.10 Grafik SFC vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Premium dan Biogas (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic )...72 Gambar 4.11 Grafik SFC vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Premium (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic )...73 Gambar 4.12 Grafik SFC vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Biogas

13 (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic )...74 Gambar 4.13 Grafik Efisiensi Termal Brake vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Premium dan Biogas (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic )...79 Gambar 4.14 Grafik Efisiensi Termal Brake vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Premium (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic )...80 Gambar 4.15 Grafik Efisiensi Termal Brake vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Biogas (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic )...82 Gambar 4.16 Grafik AFR vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Premium dan Biogas (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic )...92 Gambar 4.17 Grafik AFR vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Premium (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic )...93 Gambar 4.18 Grafik AFR vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Biogas (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic )...94 Gambar 4.19 Grafik Emisi CO vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Premium (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic

14 )...96 Gambar 4.20 Grafik Emisi CO vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Biogas (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic )...97 Gambar 4.21 Grafik Emisi HC vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Premium (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic )...99 Gambar 4.22 Grafik Emisi HC vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Biogas (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic ) Gambar 4.23 Grafik Emisi CO2 vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Premium (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic ) Gambar 4.24 Grafik Emisi CO2 vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Biogas (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic ) Gambar 4.25 Grafik Emisi O2 vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Premium (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic ) Gambar 4.26 Grafik Emisi O2 vs Beban Mesin Otto Berbahan Bakar Biogas (sebelum dan setelah menggunakan Turbocharger dan Catalytic )...105

15 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Komposisi Kandungan Biogas Tabel 2.2 Sifat Fisik Biogas Tabel 2.3 Nilai LHV Biogas tiap % CH 4 yang terkandung Tabel 2.4 Spesifikasi Kompresor dan Tangki Bertekanan Tabel 4.1 Perbandingan Putaran Mesin tiap Variasi Bahan Bakar dan Beban Tabel 4.2 Perbandingan Daya Mesin tiap Variasi Bahan Bakar dan Beban 54 Tabel 4.3 Hubungan Beban (watt) dan Peningkatan Daya (%) Berbahan Bakar Premium setelah Menggunakan Turbocharger dan Catalytic Tabel 4.4 Hubungan Beban (watt) dan Peningkatan Putaran (%) Berbahan Bakar Biogas setelah Menggunakan Turbocharger dan Catalytic 57 Tabel 4.5 Hubungan Beban (watt) dan Peningkatan Daya (%) Berbahan Bakar Biogas setelah Menggunakan Turbocharger dan Catalytic Tabel 4.6 Hubungan Beban (watt) dan Peningkatan Putaran (%) Berbahan Bakar Biogas setelah Menggunakan Turbocharger dan Catalytic 59 Tabel 4.7 Perbandingan Torsi Mesin tiap Variasi Bahan Bakar dan Beban 63

16 Tabel 4.8 Hubungan Beban (watt) dan Peningkatan Torsi (%) Berbahan Bakar Premium setelah Menggunakan Turbocharger dan Catalytic 65 Tabel 4.9 Hubungan Beban (watt) dan Peningkatan Torsi (%) Berbahan Bakar Biogas setelah Menggunakan Turbocharger dan Catalytic 66 Tabel 4.10 Perbandingan SFC Mesin tiap Variasi Bahan Bakar dan Beban 71 Tabel 4.11 Hubungan Beban (watt) dan Penurunan SFC (%) Berbahan Bakar Premium setelah Menggunakan Turbocharger dan Catalytic 73 Tabel 4.12 Hubungan Beban (watt) dan Penurunan SFC (%) Berbahan Bakar Biogas setelah Menggunakan Turbocharger dan Catalytic 75 Tabel 4.13 Perbandingan Efisiensi Termal Brake Mesin tiap Variasi Bahan Bakar dan Beban 79 Tabel 4.14 Hubungan Beban (watt) dan Peningkatan Efisiensi Termal Brake (%) Berbahan Bakar Premium setelah Menggunakan

17 Turbocharger dan Catalytic 81 Tabel 4.15 Hubungan Beban (watt) dan Peningkatan Efisiensi Termal Brake (%) Berbahan Bakar Biogas setelah Menggunakan Turbocharger dan Catalytic 82 Tabel 4.16 Perbandingan AFR tiap Variasi Bahan Bakar dan Beban 91 Tabel 4.17 Hubungan Beban (watt) dan Penurunan AFR (%) Berbahan Bakar Premium setelah Menggunakan Turbocharger dan Catalytic 93 Tabel 4.18 Hubungan Beban (watt) dan Penurunan AFR (%) Berbahan Bakar Biogas setelah Menggunakan Turbocharger dan Catalytic 94 Tabel 4.19 Emisi Gas Buang Mesin Otto Berbahan Bakar Premium Menggunakan Turbocharger dan Catalytic 95 Tabel 4.20 Emisi Gas Buang Mesin Berbahan Bakar Biogas Menggunakan Turbocharger dan Catalytic 95 Tabel 4.21 Hubungan Beban (watt) dan Penurunan Emisi CO (%) Berbahan Bakar Premium setelah Menggunakan Turbocharger dan Catalytic

18 97 Tabel 4.22 Hubungan Beban (watt) dan Penurunan Emisi CO (%) Berbahan Bakar Biogas setelah Menggunakan Turbocharger dan Catalytic 98 Tabel 4.23 Hubungan Beban (watt) dan Penurunan Emisi HC (%) Berbahan Bakar Premium setelah Menggunakan Turbocharger dan Catalytic 99 Tabel 4.24 Hubungan Beban (watt) dan Penurunan Emisi HC (%) Berbahan Bakar Biogas setelah Menggunakan Turbocharger dan Catalytic 100 Tabel 4.25 Hubungan Beban (watt) dan Penurunan Emisi CO2 (%) Berbahan Bakar Premium setelah Menggunakan Turbocharger dan Catalytic 102 Tabel 4.26 Hubungan Beban (watt) dan Peningkatan Emisi CO2 (%) Berbahan Bakar Biogas setelah Menggunakan Turbocharger dan Catalytic 103 Tabel 4.27 Hubungan Beban (watt) dan Penurunan Emisi O2 (%) Berbahan Bakar Premium setelah Menggunakan Turbocharger dan Catalytic

19 104 Tabel 4.28 Hubungan Beban (watt) dan Peningkatan Emisi O2 (%) Berbahan Bakar Biogas setelah Menggunakan Turbocharger dan Catalytic 105

20 DAFTAR NOTASI SIMBOL KETERANGAN SATUAN P B Daya Keluaran Watt CV Nilai kalor kj/kg Laju aliran massa udara kg/s Laju aliranbahanbakar kg/jam n Putaran mesin rpm Effisiensi termal % Sfc Konsumsi bahan bakar spesifik g/kw.jam t Waktu pengujian yang ditentukan jam Ʈ Torsi keluaran mesin N.m massa jenis bahan bakar kg/m 3 V Tegangan listrik Volt I Arus Listrik Ampere v Volume bahan bakar ml d Diameter Silinder mm S Panjang Langkah mm r c Rasio Kompresi V d Volume Silinder m 3 V c Volume sisa di silinder m 3 AFR Rasio campuran bahan bakar dan udara