PENERAPAN BAHAN BAKAR BIOGAS PADA MOTOR BENSIN DENGAN MODIFIKASI KARBURATOR DAN VARIASI RASIO KOMPRESI

Transkripsi

1 PENERAPAN BAHAN BAKAR BIOGAS PADA MOTOR BENSIN DENGAN MODIFIKASI KARBURATOR DAN VARIASI RASIO KOMPRESI SKRIPSI PANJI LAKSAMANA SEPTIANSYAH F FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013

2 ABSTRAK PANJI LAKSAMANA SEPTIANSYAH. Penerapan Bahan Bakar Biogas Pada Motor Bensin Dengan Modifikasi Karburator Dan Variasi Rasio Kompresi. Dibimbing oleh DESRIAL dan SRI WAHYUNI Biogas merupakan salah satu bio-energi yang dapat diaplikasikan ke dalam motor bensin dengan beberapa modifikasi komponen. Tujuan dari penelitian ini adalah pengaplikasian bahan bakar biogas ke dalam motor bensin dengan modifikasi karburator dan mendapatkan nilai daya maksimal, nilai torsi maksimal dan nilai konsumsi bahan bakar spesifik minimal dari tiap variasi rasio kompresi. Hasil penelitian menyatakan bahwa bahan bakar biogas dalam motor bensin dapat diaplikasikan secara langsung, modifikasi karburator merubah rasio perbandingan udara dan bahan bakar dari 14.7 : 1 (bensin) menjadi 5.7 : 1 (biogas) sehingga motor bensin dapat dioperasikan dengan putaran mesin lebih dari 1500 rpm hingga 4500 dalam keadaan stabil. Nilai daya maksimum dari beberapa rasio kompresi adalah kw pada rasio kompresi (RK 7.6), kw (RK 8.3), kw (RK 9.0) dan kw (RK 10.0). Nilai torsi maksimum adalah N.m pada rasio kompresi (RK 7.6), N.m (RK 8.3), N.m (RK 9.0), and N.m (RK 10.0). Hasil dari nilai konsumsi bahan bakar spesifik terendah adalah 4.29 m 3 /kwjam pada rasio kompresi (RK 7.6), 2:13 m3/kwjam (RK 8.3), 1.84 m 3 /kwjam (RK 9.0), dan 2.92 m 3 /kwjam (RK 10.0). Rasio kompresi yang optimal adalah 8.3. Kata kunci : Biogas, Motor Bensin, Variasi Rasio Kompresi, Karburator Modifikasi ABSTRACT PANJI LAKSAMANA SEPTIANSYAH. Application Of Biogas Fuel In Gasoline Engine With Modification Of Carburetor, And Variation Of Compression Ratio. Supervised by DESRIAL and SRI WAHYUNI Biogas is one of the gaseous bio-energy can be applied into gasoline motors with some modification of components. The objectives of this research are applying the biogas fuel in gasoline engine with carburetor modification, measuring and getting value of maximum power and maximum torque and minimum value of the specific fuel consumption of each variation of compression ratio. The results of research were the biogas fuel on gasoline motors could be implemented directly, carburetor modifications changed the ratio of air and fuel ratio of 14.7: 1 (gasoline) to 5.7:1 (biogas) as of gasoline engine could be operated with engine speed over 1500 rpm up to 4500 rpm in a stable condition. The maximal power values for each compression ratio were kw at compression ratio (CR 7.6), kw (CR 8.3), kw (CR 9.0) and kw (CR 10.0). Maximum torque values were N.m at compression ratio (CR 7.6), N.m (CR 8.3), N.m (CR 9.0), and N.m (CR 10.0). The results of lowest value of specific fuel consumption were 4.29 m 3 /kwh at compression ratio (CR 7.6), 2:13 m3/kwh (CR 8.3), 1.84 m 3 /kwh (CR 9.0), and 2.92 m 3 /kwh (CR 10.0). The optimal of compression ratio was 8.3. Keywords: Biogas Fuel, Gasoline Engine, Variation Of Compression Ratio, Carburetor Modification

3 PANJI LAKSAMANA SEPTIANSYAH. F Penerapan Bahan Bakar Biogas Pada Motor Bensin Dengan Modifikasi Karburator dan Variasi Rasio Kompresi. Di bawah bimbingan Desrial dan Sri Wahyuni RINGKASAN Biogas merupakan salah satu bio-energi berwujud gas yang diproduksi melalui proses fermentasi anaerobik bahan organik seperti kotoran ternak dan manusia, biomassa limbah pertanian atau campuran keduanya, didalam suatu ruang pencerna (digester). Pengembangan biogas menjadi sumber bahan bakar alternatif di Indonesia sangat berpotensi karena pengembangan sumber energi alternatif yang murah, berkelanjutan dan ramah lingkungan sangat dibutuhkan di masyarakat luas khususnya Indonesia. Penerapan biogas diharapkan dapat mengurangi penggunaan bahan bakar fosil dalam motor bakar penggerak mesin-mesin pertanian. Penerapan bahan bakar biogas ke dalam motor bensin memerlukan modifikasi dari karburator hingga sistem pembakaran sehingga biogas dapat diterapkan mesin-mesin pertanian khususnya motor bansin yang digunakan sebagai tenaga penggerak mesin pertanian. Dengan adanya modifikasi karburator dan variasi rasio kompresi, penerapan bahan bakar biogas dapat digunakan pada motor bensin dengan kinerja yang optimal. Penelitian ini dilakukan dengan cara bertahap, tahap pertama dilakukannya modifikasi karburator standar agar supply bahan bakar biogas dapat mengalir dengan perbandingan udara yang ditentukan. Tahap kedua dilakukannya pengujian dengan 4(empat) variasi rasio kompresi, yaitu: 7.6, 8.3, 9.0, dan Tahap-tahap tersebut didapatkan hasil berupa nilai torsi, daya, dan konsumsi bahan bakar tiap variasi rasio kompresi. Nilai optimal akan didapatkan dengan membandingkan hasil uji tiap variasi rasio kompresi. Hasil penelitian menunjukan bahwa bahan bakar biogas ke dalam motor bensin dapat dilakukan secara langsung dengan cara modifikasi karburator. Pada Modifikasi karburator dilakukan pengurangan bukaan lubang pemasukan udara (choke) sebesar 25 0 dari bukaan tertutup dan pelepasan komponen standar, yaitu ruang pelampung (float chamber), pelampung (float), jarum pengabut (jet needle), pengabut stationer(slow jet), dan pengabut utama (main jet). Modifikasi karburator mengubah rasio perbandingan rasio udara dan bahan bakar dari 14.7 :1 (bensin) menjadi 5.7:1 (biogas). Motor bakar yang menggunakan karburator modifikasi dapat beroperasi dengan putaran mesin lebih dari 1500 rpm hingga 4500 rpm dalam kondisi stabil. Uji prestasi bahan bakar biogas pada motor bakar dengan variasi rasio kompresi menunjukan hasil nilai daya dan torsi maksimum terjadi pada rasio kompresi 7.6, 8.3, 9.0, dan 10.0 berturut-turut adalah kw, kw, kw, dan kw. Nilai torsi maksimal pada rasio kompresi 7.6, 8.3, 9.0, dan 10.0 berturut-turut adalah N.m, N.m, N.m, N.m. Pengukuran nilai sfc (specific fuel consumption) dapat diukur menggunakan alat ukur debit biogas yang menggunakan prinsip venturi. Hasil uji mendapatkan nilai bahan bakar spesifik atau specific fuel consumption (sfc) terendah pada rasio kompresi 7.6, 8.3, 9.0, 10.0 berturut-turut adalah 4.29 m 3 /kwjam, 2.13 m 3 /kwjam, 1.84 m 3 /kwjam, dan 2.92 m 3 /kwjam. Rasio kompresi yang optimal pada kinerja motor bakar adalah 8.3 dengan nilai daya dan toris maksimum, namun nilai konsumsi bahan bakar spesifik (specific fuel consumption) tidak terjadi pada titik minimal dibandingkan nilai rasio kompresi yang lain. Peningkatan rasio kompresi pada motor bensin tidak begitu berpengaruh terhadap hasil kinerja baik prestasi (performance) dan konsumsi bahan bakar, sehingga pada penerpaan bahan bakar biogas dalam motor bensin tidak perlu mengubah rasio kompresi.

4 PENERAPAN BAHAN BAKAR BIOGAS PADA MOTOR BENSIN DENGAN MODIFIKASI KARBURATOR DAN VARIASI RASIO KOMPRESI. SKRIPSI Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN pada Departemen Teknik Mesin dan Biosistem Fakultas Teknologi Pertanian Institut Pertanian Bogor Oleh: PANJI LAKSAMANA SEPTIANSYAH F FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013

5 Judul Skripsi : PENERAPAN BAHAN BAKAR BIOGAS PADA MOTOR BENSIN DENGAN MODIFIKASI KARBURATOR DAN VARIASI RASIO KOMPRESI Nama : Panji Laksamana Septiansyah NIM : F Menyetujui, Pembimbing I, Pembimbing II, Dr.Ir. Desrial, M.Eng NIP Sri Wahyuni, S.E, M.P NIDN Mengetahui Ketua Departemen Teknik Mesin dan Bosistem Dr. Ir. Desrial, M.Eng NIP Tanggal Lulus:

6 PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa skripsi dengan judul Penerapan Bahan Bakar Biogas Pada Motor Bensin Dengan Modifikasi Karburator dan Variasi Rasio Kompresi adalah hasil karya saya sendiri dengan arahan Dosen Pembimbing Akademik, dan belum diajukan dalam bentuk apapun pada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini. Bogor, Maret 2013 Yang membuat pernyataan Panji Laksamana Septianysah F

7 Hak cipta milik Institut Pertanian Bogor, tahun 2013 Hak cipta dilindungi Dilarang mengutip dan memperbanyak tanpa izin tertulis dari Institut Pertanian Bogor, sebagian atau seluruhnya dalam bentuk apapun, baik cetak, fotocopi, microfilm, dan sebagainya

8 BIODATA PENULIS Panji Laksamana Septianysah dilahirkan di Banjarbaru, 8 September 1989 dari pasangan drh. Deddy Djauhari Siswansyah, M.Si (Alm) dan drh. Salfina Nurdin Ahmad, M.P, sebagai putra ketiga dari 4 bersaudara. Penulis menamatkan pendidikan dasar pada tahun 2002 di SDN Menteng 6 Palangkaraya, kemudian melanjutkan pendidikan menengah pertama di SMPN 2 Palangkaraya pada tahun Pendidikan menegah atas penulis tamatan tahun 2008 di SMA Negeri 2 Pahandut, Palangkaraya, Kalimantan Tengah. Pada tahun 2008 penulis memilih Program Studi Teknik Pertanian, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian di Institut Pertanian Bogor (IPB). Penulis diterima di IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI). Selama mengikuti perkuliahaan penulis pernah aktif sebagai Ketua Angkatan Teknik Pertanian angkatan 45 (2008). Pengalaman organisasi yang pernah diikuti adalah sebagai Kepala Devisi Public Relation (PR) di Himpunan Mahasiswa Teknik Pertanian (Himateta) pada tahun dan Wakil Ketua Umum di Engineering Design Club (EDC) Teknik Mesin dan Biosistem pada tahun Pengalaman kepanitian yang pernah diikuti adalah sebagai Ketua Panitia di Engineering Summit (Ensum) Himateta. Koordinator Komisi Disiplin (Komdis) di SAPA Himateta 2010, dan Koordinator Humas di Fieldtrip TEP45. Penulis juga aktif sebagai asisten praktikum di mata kuliah Statika Dinamika, Gambar Teknik, Motor dan Tenaga Pertanian, dan Teknik Mesin dan Budidaya Pertanian. Penulis pernah melaksakan magang di perkebunan sawit PT.Kintab Jaya Watindo, Kalimantan Selatan. Selain itu penulis pernah mengikuti Program Short Term di University of Tsukuba, Japan. Penulis melakukan Praktik Lapang (PL) pada tahun 2011 di PT. Laju Perdana Indah dengan judul Peran Mekanisasi Pertanian Pada Budidaya Tebu di PT. Laju Perdana Indah Oku Timur, Sumatra Selatan. Sebagai salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian, penulis menyelesaikan skripsi dengan judul Penerapan Bahan Bakar Biogas pada Motor Bensin dengan Modifikasi Karburator dan Variasi Rasio Kompresi di bawah bimbingan Dr. Ir. Desrial, M.Eng dan Sri Wahyuni, S.E, M.P.

9 KATA PENGANTAR Assalamu alaikum Wr. Wb. Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas rahmat dan karunia-nya penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul PENERAPAN BAHAN BAKAR BIOGAS PADA MOTOR BENSIN DENGAN MODIFIKASI KARBURATOR DAN VARIASI RASIO KOMPRESI. Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Motor Bakar (Mobak), Fateta IPB-Bogor, dan PT. Swen Inovasi- Bogor. Dengan telah selesainya penelitian hingga tersusunnya skripsi ini, penulis ingin menyampaikan penghargaan dan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak drh. Deddy Djauhari, M.Si (Alm) dan Ibu drh. Salfina Nurdin Ahmad, M.P selaku orang tua, drh. Harry Prima Vidiansyah, Pandu Setya Norviansyah, S.E, dan M.Riduansyah Matin selaku saudara kandung penulis atas kasih sayang, perhatian dan dukungannya kepada penulis. 2. Dr. Ir. Desrial, M.Eng selaku dosen pembimbing skripsi atas bimbingan dan masukannya kepada penulis. 3. Sri Wahyuni, S.E, M.P selaku pembimbing kedua atas bimbingan dan kerjasama kepada penulis. 4. Dr. Dyah Wulandani selaku penguji ketiga atas masukannya kepada penulis. 5. PT.Swen Inovasi Transfer atas kerjasama dalam bantuan peralatan dan bahan selama penelitian berlangsung. 6. Bapak Juli, pegawai TU, Ade Prisma Pranayuda, Kak Cecep, dan Bintarjo Agus atas bantuan selama penelitian berlangsung. 7. Edo Vernando, Bareth Juanda dan Jefri Hidayat sebagai teman satu perjuangan di Pondok Kuning. 8. Aris Adhi Permana, Fuad Insan, Rizky Maulaya, AM Haratul Lisan, Salman Al Farisi, Muhammad Soleh, Taufiq Azhari Siregar, Didik Rahmawan, Ahmad Eriska, Fibula Yudhisa Putra, Dimas Kholis, Ahmad Noval Irvani, Abdul Hafizh, Fajri Ilham, Angga Herviona, Delimy Oktariski, Yudhi Sudiyanto, Yogi Akbar Hermansyah, Romadhon Akhir Rudiansyah, Faiz Ridhan Faroka, Fiki Firtriya, Pramita Riskia, Anggi Tri Granita, Riska Muji Rahayu, Diza Puspa Arista, Gita Pujasari, Nurfiri Shofiyatun, Reni Irmayanti, Putri Lestari, Citra Ayu, Yufi Sara Angraini, Ageng Nurtiya, Endah Rizqi Puri Astianti, HadotTEP44, Angger TEP44, HeniTEP44, FadilTEP44, KalaTEP46, ErisTMB47, dan BrianTMB48 sebagai teman selama ini. 9. Serta teman-teman Magenta TEP45, TPB-B04, Ensemble TEP44, Orion TEP46, Antares TMB47 dan Regenborg TMB48 atas kebersamaan, kerjasama, dan dukungan selama penulis melaksanakan studi di IPB. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih terdapat kekurangan, sehingga kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan untuk memperbaiki skripsi ini. Penulis berharap semoga tulisan ini bermanfaat dan dapat memberikan kontribusi yang nyata terhadap perkembangan ilmu pengetahuan di bidang motor bakar dan energi terbarukan. Bogor, Maret 2013 Penulis i

10 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... I DAFTAR ISI... II DAFTAR GAMBAR... IV DAFTAR TABEL... VI DAFTAR LAMPIRAN... VII I. PENDAHULUAN II. III Latar Belakang Tujuan... 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Bahan Bakar Biogas Definisi Biogas Pembentukan Biogas Komposisi Biogas Tahap Penerapan Biogas Penerapan Biogas Sebagai Bahan Bakar Motor Bensin Bahan Bakar Bensin Motor bensin 4 Langkah Kontruksi Motor Bensin 4 Langkah Prinsip Kerja Motor Bensin 4 Langkah Ratio Kompresi (Compression Ratio) Siklus Otto (Cycle Otto) Efisiensi Termal Kerja yang dikeluarkan Tekanan Efektif Rata-rata (Mean Effective Pressure) Performansi Motor Bakar Tenaga Motor Bakar (Engine Power) Daya Poros (Brake Power) Brake Mean Effective Pressure (bmep) Konsumsi Bahan Bakar atau Specific Fuel Consumtion (sfc) METODE PENELITIAN 3.1. Waktu dan Tempat Pelaksanaan Alat dan Bahan Tahapan Penelitian Identifikasi Masalah Perumusan Konsep Analisis modifikasi karburator dan variasi rasio kompresi Persiapan Penelitian Proses Pengujian ii

11 IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Analisis Termodinamika Bahan Bakar Biogas pada Motor bensin dengan Variasi Rasio kompresi Analisis Modifikasi Karburator Bensin untuk Penggunaan Bahan Bakar Biogas Analisis Hasil Uji Performasi Motor Bensin yang Menggunakan Bahan Bakar Biogas Pengujian bahan bakar bensin dengan variasi rasio kompresi Pengujian bahan bakar biogas dengan variasi rasio kompresi Pengujian bahan bakar biogas dengan variasi rasio kompresi Pengujian bahan bakar biogas dengan variasi rasio kompresi Pengujian bahan bakar biogas dengan variasi rasio kompresi Perbandingan performansi antara pengujian bahan bakar biogas dengan variasi rasio kompresi Uji Konsumsi Bahan Bakar Spesifik Persiapan alat ukur Pengujian dan pengambilan data konsumsi bahan biogas V. SIMPULAN DAN SARAN 5.1. Simpulan Saran...49 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN iii

12 DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Skema pengembangan biogas sebagai bahan bakar alternative pada motor bakar... 1 Gambar 2. Tahap proses dan penerapan biogas... 5 Gambar 3. Pipa T pada sistem pencampuran bahan bakar biogas... 6 Gambar 4. Sistem pencampuran udara dan bahan bakar... 7 Gambar 5. Level Konstruksi Motor bensin... 9 Gambar 6. Konstruksi Umum Motor bensin... 9 Gambar 7. Siklus Kerja Motor Empat Langkah Gambar 8. Volume Silinder Gambar 9. Diagram siklus otto Gambar 10. Diagram p-v siklus otto pada motor bensin 4 langkah Gambar 11. Honda GX Gambar 12. Flow chart tahapan penelitian Gambar 13. Bagian-bagian komponen pada sistem pembakaran Honda GX Gambar 14. Proses pengukuran volume clearance pada kepala silinder Gambar 15. Penampilan visual tiap Variasi Rasio Kompresi (VRK) Gambar 16. Skema setup pengujian motor bensin berbahan bakar biogas dengan alat dinamometer dan alat ukur debit digital Gambar 17. Cara pengujian performansi pada motor bensin menggunakan dynamometer Gambar 18. Karburator (a) sebelum dimodifikasi dan (b) sudah dimodifikasi Gambar 19. Komponen karburator yang dimodifikasi (a) selang bensin, (b) venturi bottleneck, (c) pilot jet, (d) main jet, (e) pelampung, (f) mangkok, dan (g) selang biogas Gambar 20. Pengukuran lubang pengeluaran bahan bakar (pilot jet) Gambar 21. Kurva perancangan perbandingan diameter pemasukan (pilot jet) dan diameter pencampuran (venturi bottleneck) karburator (Mitzlaff 1988) Gambar 22. Pengaturan ukuran lubang pemasukan udara (choke) Gambar 23. Fraksi volume campuran biogas dan udara terhadap perubahan bukaan choke pada karburator modifikasi dengan simulasi CFD (tampak atas) Gambar 24. Fraksi volume campuran biogas dan udara terhadap perubahan bukaan choke pada karburator modifikasi dengan simulasi CFD (tampak samping) Gambar 25. Tekanan dalam ruang pada bukaan choke 25 0 karburator modifikasi dengan simulasi CFD Gambar 26. Kecepatan aliran pada bukaan choke 25 0 karburator modifikasi dengan simulasi CFD Gambar 27. Massa jenis pencampuran biogas dan udara pada bukaan choke 25 0 karburator modifikasi dengan simulasi CFD Gambar 28. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar bensin pada rasio kompresi 8.3 uji Gambar 29. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar bensin pada rasio kompresi 8.3 uji Gambar 30. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar bensin pada rasio kompresi 8.3 uji Gambar 31. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 7.6 uji Gambar 32. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 7.6 uji Gambar 33. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 7.6 uji Gambar 34. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 8.3 uji Gambar 35. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 8.3 uji Gambar 36. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 8.3 uji iv

13 Gambar 37. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 9 uji Gambar 38. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 9 uji Gambar 39. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 9 uji Gambar 40. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 10 uji Gambar 41. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 10 uji Gambar 42. Grafik prestasi motor bensin berbahan bakar biogas pada rasio kompresi 10 uji Gambar 43. Grafik perbandingan nilai daya tiap variabel rasio kompresi Gambar 44. Grafik perbandingan nilai torsi tiap variable rasio kompresi Gambar 45. Pemanasan element yang lebih cepat pada saluran exhaust dengan penggunaan bahan bakar biogas Gambar 46. Perbandingan hasil kontur percampuran biogas dan udara dari karburator modifikasi dan karburator rancang bangun Gambar 47. Grafik nilai efisiensi mekanis terhadap putaran mesin dengan variasi rasio kompresi Gambar 48. Grafik validasi hubungan antara tekanan dan debit Gambar 49. Tampilan layar LCD pada alat ukur ventury digital Gambar 50. Alat ukur debit biogas Gambar 51. Pemasangan alat ukur venturi digital, (a) input dan (b) output Gambar 52. Grafik hubungan debit dan putaran mesin pada pengujian konsumsi bahan bakar Gambar 53. Grafik hubungan SFC dengan putaran mesin pada pengujian bahan bakar v

14 DAFTAR TABEL Tabel 1. Komposisi biogas... 3 Tabel 2. Penggunaan metana dan kebutuhannya... 4 Tabel 3. Komposisi limbah dan biogas yang dihasilkan Tabel 4. Komposisi bahan bakar biogas... 4 Tabel 5. Komposisi bahan bakar bensin... 8 Tabel 6. Karakteristik biogas yang digunakan dalam pengujian Tabel 7. Spesifikasi motor bakar yang digunakan pada penelitian Tabel 8. Langkah pelaksanaan modifikasi Tabel 9. Hasil pengukuran volume clearance pada kepala silinder standar Tabel 10. Hasil perhitungan konsep modifikasi Tabel 11. Nilai Efisiensi otto, work out, dan mean effective pressure (mep) pada analisis siklus otto 28 Tabel 12. Perbandingan daya yang dihasilkan dalam pengujian karburator modifikasi dan karburator rancang bangun dalam pengujian motor bensin dengan menggunakan bahan bajar biogas vi

15 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Tabel perhitungan variasi tiap rasio kompresi Lampiran 2. Gambar visual tiap variasi rasio kompresi Lampiran 3. Data input dan output pada analisis siklus otto Lampiran 4. Grafik output siklus otto Lampiran 5. Perhitungan debit yang masuk dalam motor bensin Honda GX Lampiran 6. Gambar kontur kecepatan aliran karburator modifikasi tiap variasi bukaan choke dengan simulasi CFD Lampiran 7. Data uji rasio kompresi 8.3 bahan bakar bensin Lampiran 8. Data uji rasio kompresi 7.6 bahan bakar biogas Lampiran 9. Data uji rasio kompresi 8.3 bahan bakar biogas Lampiran 10. Data uji rasio kompresi 9.0 bahan bakar biogas Lampiran 11. Data uji rasio kompresi 10.0 bahan bakar biogas Lampiran 12. Skrip program alat ukur debit Lampiran 13. Bentuk Invers dari hasil kalibrasi dan validasi Lampiran 14. Desain alat ukur venture digital vii

16 I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Biogas merupakan salah satu bio-energi berwujud gas yang diproduksi melalui proses fermentasi anaerobik di dalam ruang pencerna (digester) dengan bahan organik seperti kotoran ternak dan manusia, biomassa limbah pertanian atau campuran keduanya (Wahyuni 2011). Dalam komposisi biogas banyak terkandung gas metana, hal inilah yang mengakibatkan biogas dapat dijadikan sumber energi. Sejak tahun 1970, Indonesia sudah mengembangkan teknologi biogas. Namun, tingginya penggunaan bahan bakar minyak menyebabkan penggunaan biogas menjadi kurang berkembang. Penggunaan bahan bakar minyak yang terus-menerus menyebabkan terjadinya kelangkaan energi di tahun 2006, hal tersebut menyebabkan pemerintah Indonesia melanjutkan pengembangan bahan bakar alternatif seperti biogas (Wahyuni 2011). Keunggulan biogas dibandingkan dengan bahan bakar minyak yang berasal dari fosil adalah sifat yang ramah lingkungan dan dapat diperbaharui. Bahan bakar fosil selama ini diisukan menjadi penyebab dari pemanasan global. Pembakaran bahan bakar fosil yang tidak sempurna dapat menyebabkan terjadinya efek gas rumah kaca. Biogas sebagai salah satu energi alternatif yang dapat mengurangi efek gas rumah kaca dipastikan bisa menggantikan bahan bakar fosil yang keberadaannya semakin hari semakin terbatas (Wahyuni 2009). Pengembangan sumber energi alternatif yang murah, berkelanjutan dan ramah lingkungan sangat dibutuhkan di masyarakat luas khususnya Indonesia. Biogas yang merupakan sumber bahan bakar alternatif dapat diterapkan dalam motor bakar sebagai sumber tenaga penggerak mesin-mesin pertanian, pompa air irigasi dan generator yang dapat menghasilkan listrik (Gambar 1). Dengan adanya biogas diharapkan dapat mengurangi penggunaan bahan bakar fosil dalam penggunaan motor bakar. BIOGAS MOTOR BENSIN/DIESEL TENAGA PENGGERAK MESIN-MESIN PERTANIAN POMPA AIR IRIGASI GENERATOR SUMBER LISTRIK Gambar 1. Skema pengembangan biogas sebagai bahan bakar alternative pada motor bakar Menurut Mitzlaff (1988), biogas dapat diterapkan dalam jenis motor bensin dan diesel, namun lebih mudah bila diterapkan ke dalam jenis motor bensin. Hal tersebut dikarenakan standar modifikasi 1

17 biogas membutuhkan busi sebagai pemacu ledakan di dalam ruang pembakaran. Selain itu motor bensin memiliki harga yang dapat dijangkau oleh masyarakat Indonesia, sehingga dalam pengaplikasian lebih mudah dibandingkan dengan motor diesel. Penerapan bahan bakar biogas ke dalam motor bensin memerlukan modifikasi dari karburator hingga sistem pembakaran. Adapun modifikasi khusus yang dilakukan untuk mendapatkan kinerja yang maksimal adalah variasi nilai ratio kompresi pada ruang pembakaran di motor bensin. Dengan adanya cara ini, penerapan bahan bakar biogas dapat digunakan pada motor bensin dengan kinerja yang optimal. Pengupayaan untuk mendapatkan nilai konsumsi bahan bakar pada penelitian ini dilakukan dengan adanya rancang bangun alat ukur debit khusus bahan bakar biogas Tujuan 1. Menerapkan bahan bakar biogas dalam motor bensin dengan modifikasi karburator. 2. Mengukur dan mendapatkan nilai daya dan torsi maksimal yang dihasilkan dari tiap variasi rasio kompresi. 3. Mengukur dan mendapatkan nilai konsumsi bahan bakar spesifik (specific fuel consumption) minimal dari tiap variasi rasio kompresi. 4. Menentukan variasi rasio kompresi yang optimal untuk penerapan bahan bakar biogas dalam motor bensin. 2

18 II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Bahan Bakar Biogas Definisi Biogas Biogas adalah suatu jenis gas yang bisa dibakar, yang diproduksi melalui proses fermentasi anaerobik bahan organik seperti kotoran ternak dan manusia, biomassa limbah pertanian atau campuran keduanya, di dalam suatu ruang digester (Wahyuni, 2011). Biogas dapat dimanfaatkan menjadi sumber energi alternatif karena kandungan metana yang cukup tinggi Pembentukan Biogas Pembentukan biogas terjadi melalui proses fermentasi, proses tersebut pada umumnya merubah bahan organic dengan bantuan mikroorganisme anaerobik menjadi komposisi senyawa CH 4, CO 2, H 2, NH 3, dan H 2S. Proses penguraian bahan organic dalam digester terjadi melalui tiga tahapan, yaitu: tahap hidrolisis, tahap pengasaman (asidifikasi), dan tahap metanogenesis. Tahap hidrolisis merupakan penguraian bahan organic kompleks yang mudah larut (karbohidrat, protein, dan lemak) menjadi senyawa yang lebih sederhana. Tahap pengasaman (asidifikasi) adalah tahap dimana senyawa sederhana yang diproses dari tahap hidrolisis menjadi senyawa asam, seperti asam asetat, asam propionate, asam butirat, dan asam laktat dan produk sampingan berupa alkohol, CO 2, hydrogen, dan amonia. Tahap terakhir adalah metanogenesis yang memproses hasil senyawa asam menjadi metan, karbondioksida, dan air dengan bantuan bakteri metanogen. Komponen hasil tahap metanogenesis merupakan penyusun dari biogas (Wahyuni, 2011). Proses pembentukan biogas yang maksimal harus didukung dengan parameter-parameter kondisi bahan organik dan kondisi lingkungan yang sesuai. Parameter-parameter tersebut adalah jenis bahan organik, derajat keasaman, imbangan C/N, suhu, laju pengumpanan, zat toksik, pengadukan, starter, dan waktu retensi. Kondisi lingkungan sangat mempengaruhi tingkat fermentasi oleh mikroorganisme. Adapun kondisi lingkungan yang mesti dikontrol adalah derajat keasaman berada pada ph dan suhu lingkungan diantara 32 o -37 o. (Wahyuni, 2011) Komposisi Biogas Menurut Ana (2008), Komposisi terbesar biogas yang dihasilkan dari fermentasi adalah gas metana (CH4) dan gas karbon dioksida (CO2) dengan nilai komposisi yang ditampilkan pada Tabel 1. Gas metana (CH4) yang merupakan komponen utama biogas merupakan bahan bakar yang berguna, itu sebabnya biogas dapat dipergunakan untuk keperluan penerangan, memasak, menggerakkan mesin dan sebagainya yang ditampilkan pada Tabel 2. Tabel 1. Komposisi biogas No. Gas Hadi (1981) Price (1981) 1 Metana (CH 4) Karbondioksida (CO 2) Nitrogen (N 2) Kurang dari Hidrogen (H 2) - Kurang dari Karbon Monoksida (CO) Hidrogen Sulfida (H 2S) kecil Kurang dari 1.0 Sumber : United Nation (1978) dalam Sri Wahyuni (2011) 3

19 Tabel 2. Penggunaan metana dan kebutuhannya Kebutuhan Quantity (m 3 ) Rate Penerangan petromaks/jam Motor Bakar (CH4) 0.42 Per kwjam Motor Bensin (Biogas) 0.60 Per kwjam Sumber: Barnett (1982) Banyaknya kandungan gas metana pada biogas mengakibatkan biogas dapat dijadikan sumber energi. Pada beberapa literatur sering disebutkan nilai energi yang berbeda dari limbah yang berbeda terlihat pada Tabel 3, hal ini berkaitan erat dalam kondisi lingkungan setempat dan karakteristik subtraksi yang tidak selalu sama. Nilai fisik pada biogas untuk menjadi sumber energi dapat terlihat pada Tabel 4. Tabel 3. Komposisi limbah dan biogas yang dihasilkan. Bahan baku Potensi Gas per Kg Kotoran (m 3 ) Suhu ( 0 C) % CH4 Waktu Fermentasi (Jam) Limbah sapi atau kerbau Limbah ayam Limbah manusia Sumber: Sri Wahyuni (2011) dan Telaah (1980) dalam Fauziah (1996) dan Tabel 4. Komposisi bahan bakar biogas Sifat Fisika Keterangan Nilai Methane 134 Nilai Kalor (kj/kg) Massa Jenis Normal 1.16 Sumber: Mitzlaff K (1988) dan Razbani O dkk, (2011) Menurut Sri Wahyuni (2011), jumlah energi yang terdapat dalam biogas tergantung pada konsentrasi metana. Semakin tinggi kandungan metana, maka semakin besar kandungan energi (nilai kalori) biogas. Sebaliknya, semakin kecil kandungan metan, semakin kecil nilai kalori. Selain itu, kualitas biogas juga dapat ditingkatkan dengan cara menghilangkan hidrogen sulfur, kandungan air, dan karbondioksida. Pasalnya, hidrogen sulfur mengandung racun dan zat yang menyebabkan korosi. Jika bigas mengandung senyawa ini, maka gas yang ditimbulkan menjadi berbahaya. Sementara itu, kandungan air dalam biogas akan menurunkan titik penyalaan biogas serta dapat menimbulakn korosif. Kandungan hidrogen sulfur, air, dan karbondioksida dapat dihilangkan dengan menggunakan alat atau bahan desulfurizer, yang dibutuhkan untuk menyalakan generator tanpa terkena korosi Tahap Penerapan Biogas Proses penerapan biogas (Gambar 2) berawal dari pembentukan kotoran ternak hingga menjadi biogas, selanjutnya biogas digunakan sebagai bahan bakar pada peralatan seperti kompor, lampu petromak, dan motor bensin. Hasil sisa atau limbah biogas dapat diterapkan sebagai bahan pupuk organik (Wahyuni, 2011). 4

20 Kotoran Ternak dan Air (Perbandingan 1:2) Lubang Pemasukan Reaktor Biogas Biogas Proses Fermentasi CH 4 + CO 2 Limbah Biogas Bahan Bakar Kompor, Lampu Petromak, dan Motor Bakar Gambar 2. Tahap proses dan penerapan biogas Sumber: Wahyuni (2011) Material Pupuk Organik (Pupuk Cair dan Padat) 2.2. Penerapan Biogas Sebagai Bahan Bakar Motor Bensin Biogas di dunia internasional telah banyak dikembangkan khususnya sebagai bahan bakar dalam motor bakar baik bensin maupun diesel. Pada umumnya penerapan biogas cendrung menggunakan motor diesel dibandingkan motor bensin, namun penerepan biogas relatif lebih mudah dikembangkan pada motor bensin karena pengubahan dari kontruksi standar tidak banyak. Pada dasarnya modifikasi pada motor bakar dilakukan pada bagian pencampuran bahan bakar dan udara, bagian rasio kompresi, dan sistem pengapian. Pencampuran bahan bakar dan udara dilakukan dengan menyesuaikan nilai perbandingan stoikiometri dari proses pembakaran udara dan biogas (Mitzlaff K, 1988). Rasio kompresi pada motor bensin yang diterapkan bahan bakar biogas perlu dilakukannya modifikasi kontruksi dari rasio kompresi standar. Rasio kompresi yang diubah menyesuaikan sifat bahan bakar biogas. Perubahan rasio kompresi yang digunakan diantara (Mitzlaff K, 1988). Kecepatan pembakaran biogas adalah 290 m/s. Kemampu-bakarannya adalah 4% hingga 14%. Dua hal ini menjadikan biogas dapat memiliki efisiensi pembakaran yang tinggi. Biogas memiliki angka oktan yang tinggi yaitu 130. Sebagai perbandingan bensin memiliki angka oktan 90 hingga 94, sementara alkohol terbaik hanya 105 saja. Nilai oktan sangat mempengaruhi dalam peningkatan rasio kompresi pada motor bensin (Kapdi dkk, 2006). Penelitian biogas sebagai bahan bakar motor bensin pernah dilakukan oleh Hery AF, Septiropa Z, dan Romadhi F di Indonesia pada penelitian dengan judul Penerapan Bahan Bakar Biogas Sebagai Bahan Bakar Motor Bensin 1 Silinder 4 Langkah tahun Kegiatan penelitian tersebut telah dilakukan pembuatan proses pencampuran udara dan bahan bakar dengan pipa T (Gambar 3) yang dihubungkan langsung ke lubang pemasukan (intake manifold) kepala silinder, tidak menggunakan karburator. Bahan bakar biogas dialirkan dari digester melalui selang dengan bantuan blower untuk menghisap.hingga masuk ke dalam intake manifold motor bensin. Pada ruang pembakaran tidak 5

21 dilakukannya perubahan rasio kompresi. Hasil penelitian mengatakan bahwa motor bensin dapat menggunakan bahan bakar biogas sebagai bahan bakar, dengan penambahan regulator sederhana untuk biogas, dan mixer udara - biogas, sekalipun kineja maksimal belum dapat diperoleh. Mesin dapat dihidupkan menggunakana biogas dengan kandungan metana 56 60%. Mesin atau motor bakar berbahan bakar biogas yang dipergunakan dalam percobaan dapat menghasilkan listrik untuk menghidupkan lampu hingga 250 Watt. Gambar 3. Pipa T pada sistem pencampuran bahan bakar biogas Sumber: Hery AF,dkk (2011) Pengembangan biogas dalam penerapan ke dalam motor bensin pernah dilakukan oleh Jechan Lee di New York pada penelitian yang berjudul A Study on Performance and Emissions of A 4-Stroke IC Engine Operating On Landfill Gas With The Addition Of H2, Co and Syngas tahun Kegiatan penelitian yang dilakukan adalah melakukan penambahan gas H 2, CO, dan Syngas sebagai pengaruh dalam prestasi motor bensin dan hasil gas buang. Motor bensin yang digunakan adalah Honda GC 160E dengan menggantikan karburator dengan sistem percampuran udara dan bahan bakar yang ditampilkan pada Gambar 4. Hasil uji yang dilakukan mengatakan bahwa effisiensi mesin menurun saat ditambahkan gas CO 2 dalam percampuran udara dan bahan bakar. Effisiensi mesin saat daya 0.8 kw dengan penambahan 10% H 2, 10% CO, 10% Syngas berturut-turut adalah 12.48%, 12.43%, dan 12.57%. Kandungan gas emisi CO pada gas buang terjadi peningkatan saat pembebanan 0.4 kw dan penambahan gas CO 2. Ketika pembebanan ditingkatkan lebih dari 0.6 kw dan terjadinya peningkatan effisiensi mesin yang menyebabkan pembakaran lebih baik maka tejadinya penurunan gas emisi CO. 6

22 Gambar 4. Sistem pencampuran udara dan bahan bakar Sumber: Lee J (2010) Penelitian tentang variasi rasio kompresi pada motor bakar berbahan bakar biogas telah dilakukukan oleh Dayang dengan judul Pengaruh Perubahan Compression Ratio Pada Unjuk Kerja Motor Diesel Dengan Bahan Bakar Gas tahun Pada penelitian tersebut dilakukan analisis 7

23 permodelan dengan program GT-Power dengan variasi rasio kompresi pada motor diesel yang menggunakan bahan bakar biogas. Motor diesel yang memiliki rasio kompresi 22.2 dibuat variasi dari rasio kompresi 10 hingga Hasil running dari program dan analisi mengatakan bahwa rasio kompresi pada motor diesel yang dapat digunakan adalah Bahan Bakar Bensin Bensin untuk kendaraan bermotor merupakan campuran dari destilate hidrokarbon ringan yang terbuat dari campuran minyak bumi dengan komposisi yang ditampilkan pada Tabel 5. Karenanya, bensin adalah campuran paraffin, olefin, naphthene, dan aromatic yang mana berbeda dari perusahaan satu dan lainnya, dari lokasi dan dari musim pada tiap tahunnya. Bensin harus cukup mudah menguap (volatile) agar mudah menguap pada mesin, tetapi tidak sangat volatile sehingga menimbulkan bahaya detonasi selama penanganannya. Temperature boiling bensin adalah o C. n-octane (88) yang sering digunakan untuk mewakili bensin mempunyai boiling point o C (Krisna,M 2009). Tabel 5. Komposisi bahan bakar bensin Sifat Fisika Keterangan Chemical formula C 4 - C 10 Composition Carbon % weight Composition Hidrogen % weight Composition Oxygen % weight 0 Motor Octane Heating value (kj/kg) Constant related to heat (kj/kgk 0.71 Stoichiometric air/ fuel, weight 14.7 Spesific heat ratio 1.4 Sumber : Wiratmaja (2010) Menurut Wiratmaja (2010), sebagai bahan bakar utama untuk kendaraan bermotor saat ini, ada beberapa persyaratan yang harus dipenuhi bensin sebagai bahan bakar yaitu : 1. Mudah tercampur dengan udara dan terdistribusi merata di dalam intake manifold. 2. Tahan terhadap detonasi atau knocking. 3. Tidak mudah terbakar sendiri sebelum waktu yang di tentukan (pre-ignition). 4. Tidak memiliki kecenderungan menurunkan efisiensi volumetris dari mesin. 5. Mudah ditangani apabila dalam keadaan genting. 6. Murah harganya dan mudah didapat. 7. Menghasilkan pembakaran yang bersih, tanpa menyisakan korosi pada komponen peralatan mesin. 8. Memiliki nilai kalor yang cukup tinggi. 9. Tidak membentuk gum dan varnish yang dapat merusak komponen mesin Motor bensin 4 Langkah Menurut Bosch (2001), motor bensin pembakaran dalamnya menggunakan siklus Otto. Sistem pengapian membakar campuran udara dan bahan bakar dan dalam prosesnya mengubah energi kimia pada bahan bakar menjadi energi kinetik. Konstruksi motor bensin memiliki perbedaan dari motor 8

24 bakar lainnya seperti motor diesel, terutama pada ruang pembakaran bahwa motor bensin membutuhkan busi (spark plug) Kontruksi Motor Bensin 4 Langkah Kontruksi mesin bensin cukup rumit dimana terdapat bagian untuk melakukan kompresi, lihat Gambar 5 bagaimana konstruksi mesin. Motor bensin serupa dengan bangunan tiga lantai, lantai pertama adalah crankcase termasuk crankshaft yang merubah gerakan bolak balik menjadi gerakan memutar. Lantai kedua adalah cylinder block termasuk didalamnya terdapat silinder yang mana terdapat piston bergerak bolak balik. Bagian ketiga adalah cylinder head (Hyundai,Ltd 2008). Gambar 5. Level Konstruksi Motor bensin Sumber: Hyunda,Ltd (2008) Pada konstruksi motor bensin komponen yang bergerak pada bagian pertama dan kedua disebut komponen penggerak utama (main moving part). Termasuk didalamnya piston, crankshaft dan connecting rod. Pada bagian ketiga, terdapat valve yang mengontrol intake dan exhaust campuran bahan bakar dan gas buang dan pengoperasiannya diatur oleh camshaft, disebut cylinder head system (Hyundai,Ltd 2008). Gambar 6. Konstruksi Umum Motor bensin Sumber: Pulkrabek WW (2004) Menurut Pulkrabek WW (2004), kontruksi umum pada motor bakar terdiri dari banyak komponen (Gambar 6). Umumnya bagian motor besin adalah silinder (cylinder block), kepala silinder 9

25 (cylinder head), torak (piston), poros engkol (crank shaft), bubungan (camshaft), dan carter (crank case). Silinder (cylinder block) adalah komponen utama pada mesin yang terdiri dari beberapa ruang silinder dimana terdapat piston yang bergerak naik turun. Fungsi silinder adalah sebagai wadah terjadinya kerja mekanis utama, khususnya piston. Kepala silinder (cylinder head) adalah komponen penutup dari silinder (cylinder block). Biasanya komponen ini berisi volume clearance dari ruang pembakaran. Berberapa motor bakar kepala silinder gabung dengan silinder. Kepala silinder berisi komponen busi (spark plug) dalam motor SI dan injeksi bahan bakar pada motor CI dan beberapa motor SI. Dalam motor bakar modern memiliki katub (valve) terletak di kepala silinder yang disebut dengan OHV (overhead valves), dan sudah banyak memiliki bubungan (camshaft) diletakan di kepala silinder disebut dengan OHC (overhead cam) (Pulkrabek WW 2004). Torak (piston) berkerja atau bergerak secara bolak balik didalam cylinder menghantarkan gaya dorong kepada connecting rod. Bagian bawah piston adalah piston skirt untuk menstabilkan gerak bolak balik piston. Piston terhubung ke connecting rod menggunakan piston pin. Sehingga, gaya dorong dari pembakaran bertumpu pada pin ini (Hyundai, Ltd 2008). Poros engkol (Crankshaft) berfungsi untuk merubah gerakan reciprocal menjadi gerakan rotasi hingga kini. Crankshaft terpengaruh oleh complicated bending dan distorting force. Counter weight menjaga keseimbangan berat dari gaya yang ditimbulkan oleh reciprocal movement piston dan dari rotational movement pada crankshaft (Hyundai,Ltd 2008). Menurut Pulkrabek WW (2004), bubungan (camshaft) berfungsi dalam mengatur kerja valves untuk membuka dan menutup intake port saat memasukan campuran bahan bakar kedalam ruang bakar dan eshaust port untuk mengeluarkan gas buang. Untuk mesin OHC atau DOHC, cam dipasang pada camshaft di bagian tengah pada cylinder head. Meesin 4 tak ratio pembukaan intake dan exhaust valve terjadi sekali dalam dua kali putaran crankshaft. Carter (crankcase) merupakan bagian dari silinder yang berfungsi sebagai poros putarnya poros engkol (crankshaft). Banyak motor bakar yang menggunakan carter sebagai penampungan oli, maka dari itu penyaluran oli berasal dari carter Prinsip Kerja Motor Bensin 4 Langkah Dasar prinsip kerja pada motor bakar internal combustion terdiri dari langkah intake, langkah kompres, pembakaran, langkah power, dan diakhiri langkah exhaust dapat dilihat pada Gambar 7. Langkah pertama yang terjadi adalah langkah pemasukan (intake stroke). Proses ini adalah piston bergerak dari titik mati atas (TMA) ke titik mati bawah (TMB) dengan katup pemasukan (intake valve) terbuka dan katup pengeluaran (exhaust valve) tertutup. Hal ini membuat peningkatan volume di dalam ruang pembakaran. Sehingga terjadinya ruang vakum. Udara akan masuk akan bersamaan dengan pengkabutan bahan bakar dari hasil carburetor atau menggunakan injector (Pulkrabek WW 2004). Langkah kedua merupakan kompresi (compression stroke). Ketika piston mencapai TMB, katup intake menutup dan piston bergerak kembali menuju TMA dengan keadaan semua katup tertutup. Hal tersebut memapatkan campuran udara dan bahan bakar, sehingga terjadi peningkatan baik tekanan maupun suhu di dalam silinder. Mendekati akhir langkah kompresi, busi dipercikan dan pembakaran (combustion) pun dimulai (Pulkrabek WW 2004). Pembakaran pada pencampuran udara dan bahan bakar terjadi sangat singkat dengan waktu terbatas hingga piston mendekati TMA. Pembakaran terjadi ketika menjelang langkah kompresi sedikit mendekati TMA dan terakhir dalam melakukan langkah power dari TMA. Dalam proses ini terjadi pula peningkatan tekanan pada silinder ke titik maksimum (Pulkrabek WW 2004). Langkah ketiga adalah langkah kerja (power stroke) tekanan tinggi dibuat dari proses pembakaran mendorong piston dari TMA disaat katup tertutup semua. Hal ini menyebabkan adanya 10

26 tenaga dihasilkan dari siklus mesin. Volume silinder meningkat, menyebabkan tekanan dan suhu di dalam menjadi berkurang ketika piston bergerak dari TMA ke TMB (Pulkrabek WW 2004). Gambar 7. Siklus Kerja Motor Empat Langkah Sumber: Bosch (2001:5) Proses selanjutnya terjadinya hembusan pembuangan (exhaust blowdown). Pada akhir langkah power, katup pengeluaran (exhaust valve) dan exhaust blowdown terjadi. Tekanan dan suhu di dalam silinder masih dalam relatif tinggi dibandingkan lingkungan saat ini, dan perbedaan tekanan dibuat melalui sistem pengeluaran (exhaust system) yang dibuka terhadap tekanan atmosfer di luar. Perbedaan tekanan ini menyebabkan panas pada gas buang yang keluar dari dalam silinder dan melalui sistem pengeluaran ketika piston mendekat TMB (Pulkrabek WW 2004). Langkah keempat adalah terjadinya langkah pembuangan (exhaust stroke). Selama waktu piston mencapai TMB, proses exhaust blowdown telah selesai, namun silinder masih penuh dengan gas buang di sekitar tekanan atmosfer. Dengan keadaan katup pembuangan yang terbuka, piston memulai pergerakan dari TMB ke TMA dalam proses langkah pembuangan. Hal ini mendorong sisa gas buang dari silinder ke sistem pembuangan di sekitar tekanan atmosfer, hanya menyisakan gas yang terjebak hingga piston bergerak ke TMA (Pulkrabek WW 2004) Ratio Kompresi (Compression Ratio) Menurut Harsanto (1990), pengertian dari ratio kompresi adalah perbandingan volume silinder (Gambar 8) antara volume total dengan volume clearance, yang bisa dirumuskan pada Persamaan 1. r = V d+v c V c... (1) Dimana, r = Ratio Kompresi V d =Volume displacement V c =Volume clearance 11

27 Gambar 8. Volume Silinder Sumber: Harsanto (1990) Menurut Robert M (2002), setiap elemen mesin mempertimbangkan sebagai cara untuk mencapai variasi ratio kompresi agar mendapatkan optimasi dan efisiensi daya motor. Ada beberapa cara dibuat untuk mencapai variasi dalam ratio kompresi, sebagai berikut; 1. Memindahkan kepala silinder, 2. Menvariasikan volume ruang bakar (Vc) 3. Menvariasikan ketinggian deck piston 4. Memodifikasi geometri connecting rod 5. Memindahkan crankpin di dalam poros engkol. 6. Memindahkan sumbu dari poros engkol Siklus Otto (Cycle Otto) Siklus otto adalah daur model untuk berbagai motor bakar torak dengan pengapian busi yang ditunjukan pada Gambar 9. Proses terdinamik yang ideal pada siklus otto terjadi proses isentropic (kompresi dan ekspansi) dan isokhorik pada proses pembakaran, sedangkan selama langkah pemasukan dan pengeluaran tekanan dalam silinder diandaikan sama dengan tekanan atmosfer. Kerja oleh torak terhadap gas di dalam silinder selama langkah pembuangan secara eksak sama dengan kerja yang dilakukan (intake stroke), sehingga keluaran kerja berguna dihasilkan semata-mata oleh kelebihan kerja yang dilakukan terhadap gas selama langkah kompresi (Reynolds 1996). Suatu motor bakar pengapian busi yang sebenarnya tidak akan dapat mencapai performansi dari siklus otto yang sangat diidealisasikan. Pembakaran memerlukan waktu untuk kelangsungan, dan oleh karena itu pembakaran dimulai sebelum TMA dengan mempercepat pengapian. Selanjutnya, terdapat kerugian tekanan sewaktu aliran melalui katup pada langkah isap (intake) dan langkah buang (exhaust) (Reynolds 1996). 12

28 Gambar 9. Diagram siklus otto Sumber : Reynolds (1996) Menurut Ganesan (2007), Berikut ini sifat ideal yang dipergunakan dan keterangan mengenai proses siklusnya yaitu: 1. Proses 0 1 adalah langkah hisap tekanan konstan yaitu campuran bahan bakar dan udara yang dihisap kedalam silinder (Persamaan 2). Dimana, P= Tekanan P 0 = P 1... (2) 2. Proses 1 2 adalah langkah kompresi adiabatik reversibel (isentropic process) yaitu campuran bahan bakar dan udara dikompresikan (Persamaan 3, 4, 5). P 1 V 1 = m m R s T... (3) V 1= V d+v c... (4) Dimana, V 1 = Volume di titik 1(m 3 ) m m = Volume bahan bakar dan udara (kg) R s = Konstanta gas spesifik (kg/m 3 ) T = Suhu (K) Dimana, γ = Rasio nilai panas T 2 T 1 = ( V 1 V 2 ) γ 1 dan P 2 P 1 = ( V 1 V 2 ) γ... (5) 3. Proses 2 3 adalah proses pembakaran volume konstan (isokhorik), campuran udara dan bahan bakar dinyalakan dengan bunga api (Persamaan 6, 7, 8). 13

29 Dimana, Q in = Panas yang diserap m f = massa bahan bakar (kg) T = Suhu (K) Qin = m f Q HV η c... (6) η c = Efisiensi Pembakaran (Sempurna= 1,Pembakaran tidak sempurna < 1) T 3 T 2 = P 3 P 2... (7) V 3 = V 2... (8) 4. Proses 3 4 adalah langkah ekspansi adiabalik reversibel, kerja yang ditimbulkan gas panas yang berekspansi. Dalam memahami diagram P-V pada siklus otto harus dilakukan terlebih dahulu idealisasasi. Proses yang sebenarnya terjadi berbeda dengan proses idealnya. Berapa idealisasi pada proses ideal antara lain: 1. Fluida yang bekerja dalam silinder dianggap gas ideal dengan konstanta kalor yang konstan. 2. Proses kompresi dan expansi terjadi dalam proses isentropic. 3. Proses pembakaran dianggap sebagai pemanasan fluida kerja. 4. Pada akhir proses ekspansi, tekanan dan suhu turun mendekati tekanan dan suhu atmosfer saat mendekati TMB. 5. Tekanan fluida dalam silinder selama langkah buang dan isap adalah kontan dan sama dengan tekanan atmosfer Efisiensi Termal Menurut Ganesan (2007), efisiensi thermal pada siklus otto dapat dituliskan pada Persamaan 9. Efisiensi termal pada siklus otto adalah fungsi dari ratio kompresi dan ratio dari nilai panas, γ. Nilai γ diasumsikan kontant dari sumua kegiatan aliran, nilai efisien meningkat dari peningkatan kompresi ratio. Lebih lanjut, efisiensi tergantung dari panas yang disuplai dan ratio tekanan. Menggunakan gas dengan tinggi nilai γ akan meningkatkan efisiensi dari siklus otto. ηotto = (9) r (γ 1) Dimana, η otto = Effisiensi thermal Kerja yang dikeluarkan Menurut Ganesan (2007), kerja bersih keluaran (net work output) untuk siklus otto dapat dijelaskan pada Persamaan 10 dan 11; W = p 1V 1 (r γ 1 p 1)(r γ 1 1)... (10) p 3 = p 4 = r p 2 p p... (11) 1 Dimana, W = Kerja yang dikeluarkan (net work output) 14

30 Tekanan Efektif Rata-rata (Mean Effective Pressure) Dalam aktual motor bakar, diagram p-v dikatakan sebagai diagram indicator yang diperoleh dari kerja mekanis yang terjadi di dalam silinder. Menurut Ganesan (2007), kerja bersih indicated (Indicated net work) ditunjukan pada Gambar 10, area yang diapit oleh garis proses pada siklus tersebut. Bila area kotak A-B-C-D sama dengan area , jarak garis vertikal antara dua garis horisontal AB dan CD dinyatakan sebagai Indicated mean effective pressure, imep. Menurut Ganesan (2007), nilai Indicated mean effective pressure didapatkan dengan cara Persamaan 12, imep = p 1r(r p 1)(r γ 1 1) (γ 1)(r 1) Dimana, imep= Indicated mean effective pressure (N/m 2 ) (12) Gambar 10. Diagram p-v siklus otto pada motor bensin 4 langkah Sumber: Ganesan (2007) Dengan demikian, dapat dilihat bahawa hasil keluaran kerja adalah berbanding langsung terhadap rasio tekanan, r p. Tekanan efektif rata-rata merupakan indikasi dari peningkatan output kerja internal dengan rasio tekanan pada nilai tetap dari rasio kompresi (r c) dan rasio dari nilai panas (γ) (Ganesan 2007) Performansi Motor Bakar Setiap motor bakar memiliki perfora yang berbeda-beda, hal tersebut disebabkan adanya beberapa faktor terutama tenaga yang dikeluarkan dan torsi. Menurut Ganesan (2007), performa mesin tergantung pada antar-hubungan antara daya yang dikembangkan, kecepatan dan konsumsi bahan bakar spesifik pada setiap kondisi operasi dalam kisaran yang guna kecepatan dan beban. Terdapat faktor yang dipertimbangkan dalam mengevaluasi dari performa mesin, antara lain: 1. Maksimum daya atau torsi yang tersedia di masing-masing kecepatan. 2. Rentang daya keluar di kecepatan konstan. 3. Pengereman konsumsi bahan bakar di setiap kondisi pengoperasian. 4. Kehandalan dan durabilitas mesin. 15

31 Performa mesin dapat ditentukan dengan dua jenis metode, antara lain adalah menggunakan cara dari hasil penelitian yang diperoleh dari dinamometer dan menggunakan kalkulasi analisis berdasarkan data teoritis. Istilah performa biasanya diartikan sebagimana baiknya mesin melakukan kerja dengan menghubungkan penggunaan energi yang masuk atau seberapa efektifitas penggunaan energi yang dihubungkan dengan berberapa mesin sejenis lainnya (Ganesan 2007). Beberapa parameter penting dalam performa mesin adalah kecepatan, suhu dan tekanan pemasukan, pengeluran, ratio udara dan bahan bakar, dll. Kisaran yang berguna dari parameter tersebut adalah dari beberapa factor, seperti tegangan mekanik (mechanical stresses), knocking, kelebihan panas (opver-heating), dan lain-lain (Ganesan 2007) Tenaga Motor Bakar (Engine Power) Dalam uji performasni terdapat dua tenaga motor bakar yaitu Indicated Power (IP) dan Brake Power (BP). Indicated power adalah tenaga yang tersedia pada piston yang diterima sebagai hasil pengembangan panas bahan bakar, sedangkan Brake Power merupakan tenaga yang tersedia pada poros engkol penyaluran atau dihubungkan secara langsung. Selisih antara IP dan BP disebut Friction Power (FP), lihat Persamaan 13. Friction Power (FP) yaitu tenaga yang digunakan untuk mengatasi gesekan yang menggerakan seluruh komponen yang terlibat (Ganesan 2007). Dimana, fp = Friction Power (kw) ip = Indicated Power (kw) bp = Brake Power (kw) fp = ip bp... (13) Daya Poros (Brake Power) Menurut Ganesan (2007), daya poros (brake power) biasanya diukur dengan alat yang dilekatkan pada poros motor, seperti dinamometer atau pronybrake. Dengan menggunakan alat tersebut dapat terukur gaya (N) yang dihasilkan dari motor. Kerja motor tersebut didapat dari nilai gaya dan panjang lengan (R) dari titik pengujian ke poros motor. Dengan kerja yang dihasilkan selama putaran poros akan didapatkan nilai daya poros motor tersebut. Persamaan 14 dapat digunakan dalam memperhitungkan nilai daya poros (bp) adalah : bp = 2πRFN... (14) 60x1000 Dimana, bp = Daya poros (kw) R = Panjang lengan (m) F = Gaya (N) N = Putaran poros (rpm) Brake Mean Effective Pressure (bmep) Indicated mean effective pressure (imep) dapat dianggap terdiri friction mean effective pressure (fmep) dan brake mean effective pressure (bmep), lihat Persamaan 15. Friction mean effective pressure (fmep) adalah bagian dari imep yang dibutuhkan untuk mengatasi gesekan yang hilang, dan brake mean effective pressure (bmep) adalah bagian yang diproduksi daya berguna yang dihasilkan motor (Ganesan 2007). imep = bmep + fmep... (15) 16

32 Nilai bp dan bmep memiliki kesamaan hubungan dengan persamaan ip dan imep, sehingga bp dapat juga dinyatakan dalam Persamaan 16. bp = bmep V s N n K... (16) bmep = Dimana, Bmep = brake mean effective pressure (N/m 2 ) bp V s N n K... (17) Menurut Ganesan (2007), nilai bmep sangat berguna dalam membandingkan motor atau menetapkan batas pengoperasian mesin. Dengan adanya nilai bmep dari Persamaan 17 bisa didaptkan nilai efisiensi mekanis pada mesin dengan membandingan dengan nilai imep (Persamaan 18). Umumnya nilai efisiensi mekanis berkisar pada nilai 65%-85% (Ganesan 2007). Dimana, η m = bp = bmep ip imep η m = efisiensi mekanis (mechanical efficiency)... (18) Konsumsi Bahan Bakar atau Specific Fuel Consumtion (sfc) Konsumsi bahan bakar diartikan sebagai jumlah bahan bakar yang dikonsumsi persatuan unit daya dari hasil pengoperasian dalam perjam. Secara tidak langsung konsumsi bahan bakar spesifik merupakan indikasi efisiensi mesin dalam menghasilkan daya dari pembakaran bahan bakar. Persamaan 19 dapat digunakan dalam mencari nilai konsumsi bahan bakar atau specific fuel consumtion. sfc = m fnk... (19) 60 n bp Dimana, sfc = specific fuel consumption (gr/m 2 ) m f =massa bahan bakar (kg) 17

33 III. METODE PENELITIAN 3.1. Waktu dan Tempat Pelaksanaan Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Maret 2012 sampai dengan Desember Proses modifikasi motor dilaksanakan di Bengkel Leuwikopo dan pengujian motor dilakukan di Laboratorium Motor Bakar, Depatemen Teknik Mesin dan Biosistem (TMB), Fakultas Teknologi Petanian, Institut Pertanian Bogor. Pengujian lapang dilakukan di PT. Swen Inovasi Alat dan Bahan Alat-alat dan perlengkapan utama yang diperlukan untuk kegiatan penelitian ini meliputi peralatan modifikasi dan peralatan instrument untuk pengujian kinerja lapangan. Selain itu bahan-bahan yang digunakan adalah bahan modifikasi dan bahan habis untuk uji kinerja. 1. Peralatan modifikasi motor bensin anatara lain : las listrik, mesin bubut, penggaris, busur, gunting, las potong, gerinda tangan, gerinda duduk, bor tangan, tang, obeng, kunci pas, dan kunci ring, dan alat bantu pelepas piston. 2. Peralatan instrument untuk pengujian kinerja lapangan: dynamometer, pronybrake, tacho meter, stopwatch, timbangan, kantung biogas, selang, dan pompa biogas dan gelas ukur. 3. Peralatan rancang bangun alat ukur debit biogas: Obeng, lem, mesin bubut, gergaji potong, bor. 4. Bahan habis untuk kinerja : biogas (Tabel 6), bensin, dan oli mesin 5. Bahan modifikasi motor : Motor Bensin Honda GX110 (Gambar 11) dengan spesifikasi di Tabel 7, piston, ring piston, dan elektroda, 6. Bahan rancang bangun: plat akrilik 5 mm, poros kuningan d=38 mm, mur dan baut, sensor MPX 5050 DP, Atmega 8535, Smart LCD. Tabel 6. Karakteristik biogas yang digunakan dalam pengujian Spesifikasi Keterangan Bahan Kotoran Sapi Potong Rasio C/N 24 Potensi produksi gas (m 3 /kg ) Suhu ( 0 C) 34.6 % CH4 58% Waktu Fermentasi (Jam) 10 a Gambar 11. Honda GX110 18

34 Tabel 7. Spesifikasi motor bakar yang digunakan pada penelitian Spesifikasi Merk Type Engine type Dimensions (Length x Width x Height) Dry Weight Displacement (Bore x Stroke) Max. Output Max. Torque Fuel consumption Cooling system Ignition system PTO shaft rotation Keterangan Honda GX110 4-stroke, overhead valve, single cylinder 320 x 345 x 320 mm ( 12.6 x 13.6 x 12.6 in) 12.0 kg 107 cc (6.5 cu in) (57 x 42 mm [2.2 x 1.7 in]) 3.5 HP/ 3600 Rpm 0.7 Kg-m (5.2 ft-lb)/2800 rpm Gal/PS h Forced air Transistorized magneto Counterclockwise Sumber: Tahapan Penelitian Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode pendekatan rancangan secara umum, yaitu pendekatan analisis teknik, pembuatan model, proses modifikasi dan uji fungsional. Diagram alir metode penelitian dapat dilihat pada Gambar 12. Mulai Identifikasi Masalah Perencanaan Konsep Analisis Modifikasi Karburator dan Variasi Rasio Kompresi Persiapan Penelitian N Proses Pengujian Y Selesai Gambar 12. Flow chart tahapan penelitian 19

35 Identifikasi Masalah Pengidentifikasi masalah dalam penelitian ini diperlukan untuk memahami penerapan bahan bakar biogas ke dalam motor bensin sehingga diperlukannya beberapa modifikasi dari komponen dari motor bensin, sehingga mendapatkan komposisi kinerja yang baik. Komposisi kinerja yang baik dilihat dari uji performansi motor bakar tersebut. Adapun beberapa permasalahan yang akan dihadapi adalah a) Bagaimana pemilihan cara modifikasi karburator agar perbandingan rasio udara dan bahan bakar biogas tepat untuk menghidupkan motor bensin dengan stabil. b) Bagaimana pemilihan cara modifikasi ruang pembakaran untuk mendapatkan variasi rasio kompresi yang tepat. c) Bagaimana menentukan dan membuktikan kinerja motor bensin yang menggunakan bahan bakar biogas dengan modifikasi karburator dan variasi rasio kompresi Perumusan Konsep Penelitian ini dilakukan beberapa tahap yaitu dengan memodifikasi karburator, memodifikasi variasi rasio kompresi, dan pembuatan alat ukur debit biogas. Memodifikasi karburator dilakukan dengan cara melepas bagian komponen tertentu dari keadaan standar hingga mendapatkan rasio udara dan bahan bakar yang tepat. Penentuan rasio udara dan bahan bakar menggunakan analisis stoikiometri dan simulasi computation fluid dynamic (CFD). Penentuan modifikasi menggunakan dengan cara memotong silinder head dan menambah packing atau gasket pada motor bakar yang digunakan sehingga terjadi variasi volume clearance. Variasi kompresi ratio dilakukan sebanyak 4 tingkat diantaranya, yaitu 2 tingkat diatas rasio kompresi dan 1 tingkat dibawah rasio kompresi standar pabrik. Langkah modifikasi akan dijelaskan pada Tabel 8. Bagian-bagian yang akan dimodifikasi menyesuaikan komponen-komponen standar motor bensin Honda GX110 pada Gambar 13. Tabel 8. Langkah pelaksanaan modifikasi Variasi Rasio Kompresi Cara Pelaksanaan -1 Menambahkan gasket pada kepala silinder yang standar 0 Tanpa ada perubahan dari standar motor yg diuji 2 Memotong kepala silinder yang standar 1 Menambahkan gasket pada kepala silinder variasi rasio kompresi 2 Kepala Silinder Gasket Piston Blok Silinder Gambar 13. Bagian-bagian komponen pada sistem pembakaran Honda GX110 20

36 Konsep pembuatan alat ukur debit menyesuaikan karakterisk biogas yang merupakan bahan bakar berbentuk gas sehingga tidak bisa dilakukan pengukuran secara langusng dengan kasat mata. Oleh karena itu pengukuran gas dapat dilakukan dengan menggunakan prisip kerja venturi dengan melihat perbedaan tekanan, selanjutnya pembacaan tekanan dilakukan dengan cara pemasangan sensor tekanan dan monitor pembaca. Penentuan dan pembuktian dari kinerja motor bensin yang menggunakan bahan bakar biogas dengan modifikasi karburator dan variasi rasio kompresi dilakukan dengan tahap pengujian dan analisis hasil uji. Tahap pertama dilakukannya analisis dan perhitungan siklus otto, hal ini dilakukan untuk mendapatkannya nilai indicated mean effective pressure (imep) tiap variasi rasio kompresi yang menggunakan bahan bakar biogas dan sebagai pembanding analisis juga menggunakan bahan bakar bensin. Dalam analisis siklus diperlukan data-data dari dimensi ruang pembakaran dan sifat fisik bahan bakar. Selanjutnya dari analisis siklus akan didapatkan nilai optimum baik efisiensi termal dan tekanan efektif rata-rata pada siklus otto (mean effective pressure. Tahap selanjutnya melakukan pengujian untuk mendapatkan daya, torsi, dan konsumsi bahan bakar. Data uji prestasi motor bensin dianalis untuk mendapatkan nilai brake mean effective pressure (bmep) dan efisiensi mekanis (mechanical efficiency. Hasil uji konsumsi bahan bakar dianalisis untuk mendapatkan nilai bahan bakar spesifik atau specific fuel consumption (sfc) Analisis modifikasi karburator dan variasi rasio kompresi Rasio udara dan bahan bakar pada karburator dapat ditentukan dengan analisis stoikiometri. Dalam analisis stoikiometri tersebut didapatkan perbandingan volume metana dan oksigen yang akan dicampurkan ke dalam karburator. Pengujian menggunakan bahan bakar biogas dan udara, sehingga perlu mengetahui persentasi nilai metana dalam biogas dan oksigen dalam udara. Komposisi metana yang terkandung dalam biogas diinputkan sebesar 60%, selain itu oksigen yang terkandung di udara sebesar 21 persen. CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O... (20) Pada stoikiometri perbandingan metana dan oksigen adalah 1:2 terlihat pada Persamaan 20. Nilai tersebut diinputkan ke dalam rumus perbandingan stoikiometri pada Persamaan 21 sehingga didapatkan rasio udara dan bahan bakar biogas adalah 5.7:1. Dengan demikian perlunya pelepasan komponen dari karburator standar. Biogas = ( n CH4 Persentasi metane dalam biogas ) n... (21) Udara ( O2 ) Persentasi oksigen dalam udara Pengukuran dan perhitungan pada ruang volume pada ruang bakar silinder perlu dilakukan sebelum melakukan perhitungan variasi dimensi pada modifikasi rasio kompresi. Volume yang perlu diketahui adalah volume clearance dan volume displacement. Biasanya dapat diketahui secara langsung nilai volume displacement pada spesifikasi motor bakar, namun untuk mendapatkan nilai volume clearance perlu dilakukan pengukuran dengan cara meneteskan air ke permukaan ruang volume clearance pada silinder head seperti pada Gambar 14. Cara tersebut akan didapatkan data nilai rasio kompresi aktual pada motor bakar yang digunakan pada pengujian. 21

37 Gambar 14. Proses pengukuran volume clearance pada kepala silinder. Tabel 9. Hasil pengukuran volume clearance pada kepala silinder standar Ulangan Hasil mm mm mm 3 Rata-rata mm 3 Hasil pengukuran kepala ssilinder yang ditunjukan pada Tabel 9 didapatkan nilai rata-rata volume clearance adalah mm 3 dengan penambahan gasket (packing) setebal 1.2 mm, maka nilai volume clearance menjadi mm 3 dan nilai rasio kompresi menjadi 8.30 :1. Nilai rasio kompresi standar tersebut sebagai dasar penentuan variasi rasio kompresi dengan perhitungan (Lampiran 1) sehingga didapatkan hasil yang ditunjukan pada Tabel 10, hasil penampakan visual ditampikan pada Gambar 15 dan Lampiran 2. Pada variasi rasio kompresi (-1) dan (1) dilakukannya penambahan gasket setebal 0.8 mm dan pemotongan (milling) kepala silinder, sedangkan pada variasi (1) dan (2) terjadi pergantian kepala silinder (cylinder head). Tabel 10. Hasil perhitungan konsep modifikasi Variasi Ratio Kompresi Ratio Kompresi

38 1 9.0 VRK 7.6 VRK 8.3 VRK 9.0 VRK 10.0 Gambar 15. Penampilan visual tiap Variasi Rasio Kompresi (VRK) Persiapan Penelitian Persiapan dilakukan dengan cara pengecekan komponen pada motor bakar Honda GX-110 dalam keadaan standar. Kondisi komponen yang tidak dalam kedaan baik atau berfungsi perlunya penggantian dan perawatan hingga komponen tersebut dalam keadaan berfungsi. Untuk modifikasi karburator standar diperlukan pelepasan komponen pada korburator, sehingga karburator tersebut dapat difungsikan sebagai pencampuran biogas yang digunakan sebagai bahan bakat pada motor bensin. Proses pembuatan modifikasi ruang pembakaran motor bakar dilakukan setelah persiapan motor bensin telah selesai. Pembuatan dilakukan dengan cara memotong silinder head dengan cara menggunakan mesin milling. Langkah pemotongan mengikuti dari konsep desain yang telah ditentukan. Tahap selanjutnya melakukan pembuatan alat pengukur debit biogas yang menggunakan prinsip venturi dan menggunakan komponen mikrokontroler. Untuk pengukuran performance dipersiapkan alat ukur dynamometer yang disediakan dalam lab. motor bakar, yaitu: dynomax Proses Pengujian Proses pengujian dilakukan dalam 3 tahap, yaitu uji fungsional, uji performansi, uji konsumsi bahan bakar. Proses pengujian dilakukan dengan alur proses Gambar 16, hal ini diharapkan dapat menentukan kualitas dan optimalitas dari proses variasi dan modifikasi ratio kompresi. 23

39 Kantong Biogas Motor Bensin Air Monitor Pengukuran Debit Sensor Pengukur Debit Dinamometer Katup Load Data Controller DC Adaptor 12 V Sumber Listrik AC 220V/50-60 Hz Monitor Pengukuran Daya dan Torsi Gambar 16. Skema setup pengujian motor bensin berbahan bakar biogas dengan alat dinamometer dan alat ukur debit digital Uji Fungsional Uji Fungsional dilakukan dengan cara menghidupkan motor bakar menggunakan bahan bakar biogas pada silinder head baik yang standar maupun yang sudah dimodifkasi dan divariasikan. Pengujian fungsional dilakukan hingga motor yang digunakan pengujian dapat hidup dalam keadaan stabil. Adapun tahap-tahap pengujian fungsional sebagai berikut: Pengujian dengan variasi bukaan kran kantong biogas. Pengujian dengan variasi bukaan katup choke (manifold udara) Pengujian dengan variasi bukaan katup throttel (manifold campuran bahan bakar) Dari pengujian tersebut didapatkan hasil uji penghidupan motor dalam keadaan stabil. Selain itu mendapatkan nilai kecepatan poros yang maksimal. Apabila motor bakar hidup dalam keadaan tidak stabil maka perlunya pengulangan pada proses perumusan konsep modifikasi hingga motor yang diuji hidup dalam keadaan stabil. Pengujian validasi pada alat ukur debit dilakukan dengan cara mengukur ulang data yang ditampilkan pada LCD dengan data ukur menggunakan flow meter udara manual Uji Performansi Setelah proses modifikasi selesai, maka motor bakar yang telah dimodifikasi diuji performansinya. Sebagai perbandingan uji performansi maka dibutuhkan data pembanding dari uji performansi pada motor bensin sebelum dimodifikasi baik menggunakan bahan bakar bensin maupun biogas. 24

40 Gambar 17. Cara pengujian performansi pada motor bensin menggunakan dynamometer Pengujian performansi atau uji prestasi akan mendapatkan data-data, yaitu: Brake Power (BP), Kecepatan Putar Mesin (RPM), Torsi (T), brake mean effective pressure (Bmep), dan Efisiensi Mekanis. Pengambilan data-data dilakukan dengan cara menggunakan alat ukur dynamometer (Gambar 17) dengan langkah-langkah pengambilan sebagai berikut, 1. Alat uji dynomite dipersiapkan dan dirangkai, seperti : a) Adaptor (Penghubung poros mesin ke lubang poros alat uji dynomite b) Selang air (Penyalur air ke alat uji dynomite) c) Kabel Konektor (Penghubung alat uji dynomite ke komputer) d) Instalasi software dynomite dalam komputer 2. Motor yang diuji dihidupkan selama 5 menit sebagai warm up. 3. Software dynomite yang telah terinstal dalam komputer ditampilkan, sebelum dilakukannya pengujian lakukan langkah berikut: a) Buat lembar kerja baru (pilih menu file->new) b) Isi keterangan atau spesifikasi ke dalam lembar kerja baru c) Klik toolbar untuk memunculkan monitor uji. 4. Setting motor dengan kecepatan poros (RPM) yang maksimal, usahakan motor dalam keadaan kecepatan poros yang stabil saat setting kecepatan poros maksimal. 5. Apabila motor sudah siap, amati software dynomite dan klik tombol test pada monitor uji. 6. Data akan terekam pada monitor uji. 7. Pengujian performansi motor dilakukan dengan cara membuka kran air pada load cell (semakin besar bukaan kran maka air yang dialirkan semakin besar dan pengereman pun semakin kuat, begitu sebaliknya). Lakukan pengereman secara perlahan agar data yang direkam tidak terjadi fluktuasi yang besar 8. Pada pengujian performansi akan terjadi peningkatan nilai torsi dan daya. Apabila nilai torsi sudah mulai menurun, maka lakukan penurunan beban pengereman dengan cara membuka kran air secara perlahan. 9. Saat kecepatan poros (RPM) kembali dalam keadaan awal, klik tombol pause pada monitor uji, selanjutnya motor dimatikan. 10. Data yang direkam dapat dilihat kembali dengan cara klik tombol replay data. 11. Data yang direkam dapat dicetak ke dalam format Microsoft Excel, dengan cara : 25

41 a) Klik toolbar tabel pada layar monitor uji b) Pilih menu file-->export to format.xls c) Pilih folder pada langkah save, lakukan penamaan (rename) dan klik tombol save. 12. Pengujian selesai Uji konsumsi bahan bakar Cara pengambilan data yang diterapkan adalah mengukur debit bahan bakar biogas tiap variasai rasio kompresi dengan pembebanan alat dynamometer. Pembebanan yang dilakukan hingga mendekati batasan-batasan pada putaran mesin RPM 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500, Pembacaan nilai debit dilakukan dengan cara melihat data yang konstant saat terjadinya pembebanan dengan batasan yang telah ditentukan. 26

42 IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Biogas merupakan salah satu bahan bakar berbentuk gas yang dapat diterapkan ke dalam motor bensin terutama pada Honda GX-110. Perlunya beberapa analisis dan modifikasi pada motor bensin dalam penerapan bahan bakar biogas ini. Analisis dan modifikasi dilakukan dengan cara membandingkan karakteristik bahan bakar antara biogas dan bensin. Hal tersebut dapat menentukan kelayakan dan memaksimalkan penggunakan bahan bakar biogas ke dalam motor bensin. Setiap motor bakar memiliki analisis dan modifikasi yang berbeda dalam penerapan bahan bakar biogas ini, oleh karena itu analisis dan modifikasi yang dilakukan diperuntukkan untuk motor bakar Honda GX-110. Untuk itu penelitian ini dilakukannya 2 hal, yaitu: analisis termodinamika bahan bakar biogas dan modifikasi karburator standar pada motor bakar Honda GX-110. Selanjutnya dilakukannya pengujian dengan cara 4 variasi rasio kompresi. Langkah-langkah ini diharapkan dapat memaksimalkan penggunakan biogas ke dalam motor bensin Analisis Termodinamika Bahan Bakar Biogas pada Motor bensin dengan Variasi Rasio kompresi Pengujian bahan bakar pada motor bakar diperlukannya analisis termodinamika. Hal ini diharapkan dapat memperlihatkan seberapa besar efisiensi dan tenaga yang dihasilkan dari bahan bakar tersebut. Analisis termodinamika akan menampilkan perbedaan karakteristik kerja bahan bakar biogas dan bensin dengan variasi nilai kompresi ratio di dalam dalam motor bensin Honda GX-110. Bensin memiliki angka oktan 90 hingga 94 dan sementara alkohol terbaik hanya 105, dan biogas memiliki angka oktan yang tinggi yaitu 130. Hal ini berarti biogas dapat digunakan pada mesin dengan perbandingan kompresi tinggi dan juga menghindarkan mesin dari terjadi knocking atau ketukan. Titik didih biogas adalah 300 derajat Celsius (Kapdi dkk, 2006). Hal ini memungkinkan untuk melakukannya variasi rasio kompresi di atas nilai standar pada motor bakar Honda GX-110. Dari pendekatan analisis siklus otto akan didapatkan nilai-nilai tekanan dan volume tiap titik kerja, effiseiensi otto, mean effective pressure, dan nilai energi yang dihasilkan dalam satu siklus. Dalam penelitian analisis yang dilakukan untuk mendapatkan nilai tersebut adalah dengan menganaisis dari 2 jenis bahan bakar, yaitu bensin dan biogas, dengan 4 jenis variasi rasio kompresi yatu rasio kompresi 7.6, rasio kompresi 8.3(standar), rasio kompresi 9, dan rasio kompresi 10. Untuk jenis bahan bakar bensin hanya dilakukan analisis siklus otto untuk jenis variasi ratio kompresi yang standar, sedangakan bahan bakar biogas dilakukan analisis dengan 4 variasi ratio komprsi. Perlunya peng-inputan data-data standarisasi (Lampiran 3) untuk melakukan analisis siklus otto. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan nilai output yang mendekati dengan kenyataan. Selain itu perlunya idealisasi standar, seperti : fluida yang bekerja sepenuhnya dilakukan oleh udara sehingga dianggap gas ideal dengan nilai kalor yang konstan, proses kompresi dan ekspansi berlangsung secara isentropic, proses pembakaran dianggap proses pemanasan fluida, pada akhir ekspansi (mendekati titik mati atas) tekanan dan temperatur melakukan proses pendingan dan nilai menurun mendekati tekanan dan temperatur atmosfer. Perubahan gerakan piston tiap titik siklus menyebabkan peningkatan nilai tekanan, volume, serta temperature mulai dari intake hingga exhaust. Pada siklus titik 2-3 yaitu proses dimana terjadi pembakaran pada volume konstan (isokhorik), campuran udara dan bahan bakar dinyalakan dengan bunga api menyebabkan adanya peningkatan nilai tekanan dan temperature secara signifikan. 27

43 Hasil analasis hasil tiap siklus otto (Lampiran 4) akan didapatkan nilai efisiensie, dan nilai energi yang akan dihasilkan. Nilai tersebut menjadi pertimbangan dalam pengujian bahan bakar biogas di dalam motor bensin. Tabel 11. Nilai Efisiensi otto, work out, dan mean effective pressure (mep) pada analisis siklus otto Bensin Biogas Standar CR 7.6 CR 8 CR 9 CR 10 rc (rasio kompresi) ɳotto (efisiensi otto) Wout (Kerja yang kj dikeluarkan) Imep ( Indicated Mean Efective Pressure) kn/m Semakin tinggi nilai ratio kompresi maka nilai efisiensi otto semakin besar terlihat dalam Tabel 11. Hal itu menyebabkan hasil kerja atau usaha yang dihasilkan menjadi meningkat dari nilai standar rasio kompresi. Dengan adanya variasi rasio kompresi terdapat kemungkinan adanya peningkatkan daya motor yang menggunakan bahan bakar biogas Analisis Modifikasi Karburator Bensin untuk Penggunaan Bahan Bakar Biogas Hasil pembakaran yang efisien dan optimal pada karburator ditentukan oleh komposisi pemasukan bahan bakar dan udara yang tepat. Umumnya jenis karburator bensin memiliki rasio pemasukan bahan bakar sebesar 14.7: 1. Untuk ukuran karburator standar Honda GX-110 dapat digunakan secara langsung untuk bahan bakar biogas dengan dilakukan modifikasi, karena rasio pemasukan bahan bakar dan udara pada bensin berbeda dengan biogas. Oleh karena itu dilakukan perhitungan dan perubahan karburator dalam kebutuhan bahan bakar biogas agar motor hidup dengan stabil. Analisis stoikiometri didapatkan nilai rasio udara dan bahan bakar adalah 5.7:1. Pada literatur dikatkan bahwa biogas dapat dijalankan pada motor bakar dengan rasio perbandingan udara dan biogas lebih besar dari 1.5, hal tersebut disesuaikan dengan kandungan metana pada biogas. (Mitzlaff,K 2008). Hasil perhitungan rasio perbandingan bahan bakar biogas dan udara menunjukan bahwa modifikasi diperlukan untuk merubah supply bahan bakar pada karburator standar Honda GX-110. Modifikasi yang dilakukan hanya dilakukan pada lubang lubang pemasukan bahan bakar dan lubang pemasukan udara terlihat pada Gambar 18, hal ini lakukan untuk menurunkan nilai rasio pencampuran bahan bakar dan udara dari 14.7:1 menjadi 5.7:1. Penurunan rasio pencampuran bahan bakar dapat dilakukan dengan cara memperbesar ukuran lubang pemasukan bahan bakar (orifice) dan memperkecil ukuran lubang pemasukan udara (choke). Pembesaran lubang deperlukan pelepasan-pelapasan komponen karburator (Gambar 19), yaitu ruang pelampung (float chamber), pelampung (float), jarum pengabut (jet needle), pengabut stationer (slow jet), dan pengabut utama (main jet). Biogas tidak membutuhkan adanya komponen pelampung pada karburator bensin, karena biogas bukan berbentuk cair melainkan gas. 28

44 (a) (b) Gambar 18. Karburator (a) sebelum dimodifikasi dan (b) sudah dimodifikasi a b c d e f g Karburator Standar Karburator Modifikasi Gambar 19. Komponen karburator yang dimodifikasi (a) selang bensin, (b) venturi bottleneck, (c) pilot jet, (d) main jet, (e) pelampung, (f) mangkok, dan (g) selang biogas Pelepaskan main jet menyebabkan lubang pemasukan bahan bakar menjadi lebih besar dibandingan dengan sebelumnya. Untuk memastikannya maka dilakukan pengukuran manual, ukuran lubang pemasukan bahan bakar dapat dilakukan dengan mengukur ujung pilot jet pada Gambar 20. Gambar 20. Pengukuran lubang pengeluaran bahan bakar (pilot jet) 29

45 Hasil ukuran diameter lubang pengeluaran bahan bakar (pilot jet) adalah sebesar 3.9 mm dan diameter lubang pencampuran (venturi bottleneck) sebesar 19.9 mm, hasil perbandingan diameter antara diameter pilot jet dan venturi bottleneck adalah Agar menghasilkan pencampuran antara biogas dan udara menjadi 1:5.7 dilakukan pendekatan kurva venturi mixers untuk biogas (Mitzlaff 1988) pada Gambar 21 dan dilakukannya simulasi CFD. Pendekatan kurva mendapatkan hasil perbandingan diameter pilot jet dan venturi bottleneck harus sebesar 0.57 dengan asumsi kecepatan udara masuk sebesar 120 m/s dan kecepatan masuk biogas 40 m/s. Hasil perbandingan diameter aktual lebih kecil dibandingkan hasil dari pendekatan kurva, untuk pendekatan secara teoritis maka dilakukan pengecilan bukaan choke sebesar 1/3 dari bukaan penuh atau 30 0 dari bukaan tertutup (Gambar 22). di/dv cv=100 m/s cv=120 m/s cv=150 m/s Keterangan : di = diameter pemasukan dv= diameter pencampuran ci = kecepatan biogas cv= kecepatan udara Gambar 21. Kurva perancangan perbandingan diameter pemasukan (pilot jet) dan diameter pencampuran (venturi bottleneck) karburator (Mitzlaff 1988). Gambar 22. Pengaturan ukuran lubang pemasukan udara (choke) Simulasi CFD dilakukan untuk melihat kontur campuran biogas dan udara dari pendekatan hasil teoritis dengan pengecilan bukaan choke. Pendekatan simulasi dilakukan dengan cara penginputan data input tekanan atmosfer sebesar Pa pada lubang inlet biogas dan inlet udara, selanjutnya data output debit sebesar m 3 /s (RC 7.6), m 3 /s (RC 8.0), m 3 /s (RC 9.0), dan (RC 10.0). (Lampiran 5) diletakan pada lubang penghubung antara karburator dan kepala 30

46 silinder atau disebut manifold connection. Simulasi computation fluid dynamic (CFD) dilakukan dengan bukaan choke 90 0, 45 0, 30 0, 25 0, dan 15 0 dari bukaan tertutup. Pendekatan simulasi CFD menghasilkan kontur percampuran volume biogas dengan udara Gambar 23 dan Gambar 24. Gambar 23. Fraksi volume campuran biogas dan udara terhadap perubahan bukaan choke pada karburator modifikasi dengan simulasi CFD (tampak atas) Gambar 24. Fraksi volume campuran biogas dan udara terhadap perubahan bukaan choke pada karburator modifikasi dengan simulasi CFD (tampak samping) Hasil dari kontur simulasi CFD menunjukan percampuran biogas yang paling baik dan merata terjadi pada bukaan choke 25 0 (27% dari bukaan penuh) dengan hasil rata-rata campuran Pendekatan simulasi CFD mendekati dari hasil pencampuran teoritis sebesar Uji fungsional dari 31

47 karburator modifikasi yang menggunakan bukaan choke 25 0 mendapatkan hasil performa yang baik dengan putaran dari rpm dengan keadaaan stabil pada rasio kompresi 8.3. Pencampuran biogas sangat dipengaruhi oleh kecepatan dan tekanan aliran dalam ruang karburator, selain itu faktor lain yang mempengaruhi adalah debit intake tiap motor bensin yang semakin besar apabila kapasitas ruang pembakaran lebih besar. Pengecilan bukaan choke yang dilakukan pada karburator modifikasi sangat mempengaruhi tekanan pada ruang karburator (Gambar 25) sehingga kecepatan aliran yang dihasilkan tepat dalam melakukan pencampuran (Gambar 26). Gambar 25. Tekanan dalam ruang pada bukaan choke 25 0 karburator modifikasi dengan simulasi CFD Gambar 26. Kecepatan aliran pada bukaan choke 25 0 karburator modifikasi dengan simulasi CFD Pada hasil simulasi CFD menunjukan pencampuran biogas dan udara dapat berlangsung dengan tepat apabila kecepatan di daerah lubang pencampuran (venture bottleneck) lebih kecil dibandingkan di daerah inlet biogas, apabila kecepatan inlet biogas lebih kecil dibandingkan di daerah pencampuran maka tidak akan terjadi pencampuran secara merata hingga ke seluruh daerah manifold connection. Bukaan choke sangat mempengaruhi kecepatan di daerah inlet biogas, semakin besar bukaan choke semakin kecil kecepatan di daerah inlet biogas (Lampiran 6). Kecepatan di daerah percampuran selalu 32