Effect of Low Purity Methanol on Soot Emission in Direct Injection Diesel Engine Using Exhaust Gas Recirculation

Transkripsi

1 MediaTeknika Jurnal Teknologi Vol.1, No.1, Juni Effect of Low Purity Methanol on Soot Emission in Direct Injection Diesel Engine Using Exhaust Gas Recirculation Stefan Mardikus Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Kampus III Paingan Maguwoharjo Depok Sleman Yogyakarta, Telp Penulis korespondensi, Abstract Diesel particulate filter (DPF) is one of the techniques to reduce the soot emission from diesel engines. However, the use of DPF causes high pressure drop in tailpipe of diesel engine resulting the rise of fuel consumption. Therefore, addition of Low Purity Methanol (LPM) reduces the soot emission from diesel engine. Low purity methanol has a high oxygen content and cooling effect from a higher water content influences cyclopenta compound from the decrease. The aim of this study was to find the effect of pure diesel and the blends of diesel. The blended ratio of LPM to diesel fuel are 1/, 95/5, 9/1, 5/5 on the basis volume. The Experiment has been varied with a load started from 25%, 5%, 75%, 1% and under a constant of 2 rpm. The experiment result showed that soot emission will be around decrease 6,37% when the addition of 15% LPM. Keywords: Diesel Engine, Smoke Emission, Exhaust Gas Recirculation, Low Purity Methanol 1. Pendahuluan Menipisnya cadangan bahan bakar fosil dan meningkatnya polusi udara disebabkan oleh pembakaran tidak sempurna dari proses pembakaran. Mesin diesel adalah salah satu mesin yang sangat sesuai untuk transportasi dan kendaraan angkut berat. Peranannya dalam kesejahteraan ekonomi, efisiensi pembakaran yang tinggi, kehandalan, flexibilitas bahan bakar dan rendahnya konsumsi bahan bakar membuat mesin diesel banyak digunakan dibeberapa Negara [1]. Akan tetapi, mesin diesel memiliki emisi NOx dan smoke emission lebih tinggi daripada mesin bensin. Telah terbukti bahwa polutan dari emisi kendaraan bermotor berdampak signifikan terhadap sistem ekologi dan kesehatan manusia [2]. EGR merupakan salah satu metode untuk mengendalikan emisi yang ditimbulkan dari mesin diesel. Metode ini dilakukan dengan mensirkulasikan sebagian gas buang ke dalam intake manifold yang kemudian bercampur dengan udara sebelum masuk ke dalam ruang bakar. EGR dapat mereduksi NOx karena temperatur di ruang bakar menurun [3]. Metode EGR dibagi menjadi dua, yang pertama Hot EGR dimana sebagian gas buang disirkulasikan kembali tanpa didinginkan sehingga menyebabkan peningkatan suhu intake, yang kedua Cold EGR dimana sebagian gas buang yang disirkulasikan didinginkan dengan menggunakan heat exchanger yang menyebabkan penurunan suhu intake [4]. Selain itu, penilitian mengenai pengaruh variasi tekanan injeksi (1 bar, 2 bar dan 22 bar) dan waktu injeksi (15, 2, dan 25 ) terhadap performa dan emisi mesin diesel direct injection berbahan bakar campuran diesel fuel dan methanol telah diteliti, dan terbukti bahwa peningkatan tekanan injeksi dan waktu injeksi menyebabkan menurunnya smoke emission, CO, THC, tetapi emisi NOx meningkat [5]. Bahan bakar diesel merupakan bahan bakar fosil yang tidak dapat diperbaharui. Oleh karena itu, bahan bakar alternatif pengganti bahan bakar diesel perlu dikembangkan. Biodiesel merupakan bahan bakar alternatif pengganti bahan bakar diesel, akan tetapi penggunaan bahan bakar biodiesel 1% masih perlu diteliti menyangkut performa mesin diesel karena perbedaan sifat-sifat fisiknya [6]. Hal inilah yang mendorong untuk dilakukan penelitian Diterima 25 Oktober 213; Direvisi 2 Desember 213; Disetujui 2 Desember 213

2 6 ISSN: pengaruh campuran bahan bakar diesel dan low purity methanol terhadap smoke emission mesin diesel. Metanol digunakan sebagai aditif campuran bahan bakar yang bertujuan sebagai penyedia oksigen dan meningkatkan kalor penguapan, sehingga diharapkan mereduksi jumlah NO x dan PM (Particular Matter) [2]. Pada penelitian ini, difokuskan pada pengaruh EGR terhadap smoke emission mesin diesel direct injection menggunakan campuran bahan bakar diesel dan low purity methanol 2. Metode Penelitian Penelitian ini menggunakan mesin diesel water cooled, 4 silinder, direct injection, dengan menggunakan prosentase campuran low purity methanol 5%, 1%, dan 15% menggunakan EGR. Pada pengujian ini, setiap prosentase campuran bahan bakar diberi variasi beban dan variasi laju aliran massa EGR. Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh penggunaan campuran low purity methanol menggunakan EGR terhadap smoke emission. Spesifikasi mesin uji seperti tersaji dalam Tabel 1, dan sifat bahan bakar yang digunakan disajikan dalam Tabel 2. Skema mesin uji ditunjukkan seperti terlihat pada Gambar 1. Tabel 1. Spesifikasi mesin uji[11] Jenis Tipe mesin Jumlah silinder Diameter silinder Panjang silinder Rasio kompresi Tekanan kompresi Total volume silinder Daya maximum Torsi maximum Tekanan injeksi Waktu injeksi Katub masuk terbuka Katub buang terbuka Spesifikasi Isuzu 4JB1, 4 cylinder, 4 stroke, OHV, vertical in-line, direct injection 4 93 mm 12 mm kg/cm cc 52.2 kw at 3 rpm Nm at 2 rpm 15 kg/cm 2 12 BTDC.5 BTDC.5 BBDC Tabel 2. Sifat Bahan Bakar Diesel and LPM [12] Jenis Bahan Bakar LPM Diesel Nilai kalor (kj/kg) Viskositas (mm 2 /s) Angka setane Kandungan air (%) Mesin diesel (1) dihubungkan dengan dinamometer hidrolik (2) kemudian diberi variasi beban oleh pompa dinamometer (3) dari tangki air (4) seperti yang diperihatkan pada gambar 1. Variasi beban mesin diatur menggunakan katub bukaan beban (6). Kemudian, laju EGR diatur dengan menggunakan katub bukaan EGR (5). Penukar kalor (7) digunakan untuk mengatur variasi temperatur EGR. Dalam penelitian ini, penukar kalor tidak digunakan. Manometer pipa U () dan (9) digunakan untuk mengukur laju aliran massa EGR dan udara. Pengujian ini dilakukan dengan menggunakan variasi beban mesin dari 25% sampai 1% dengan interval 25% pada 2 rpm berdasarkan torsi maximum yang dicapai. Laju EGR dikendalikan secara MediaTeknika Vol. 1, No. 1, Juni 215: 59 64

3 MediaTeknika ISSN: manual dengan menggunakan katub bukaan EGR dari bukaan 25% sampai 1% dengan interval 25%. Temperatur gas buang, EGR inlet dan outlet diukur dengan menggunakan termokopel tipe K yang nilainya dapat ditunjukkan pada display monitor (1-13). Pengukuran temperatur air pendingin mesin menggunakan termokopel tipe K dengan monitor penunjuk (14). Pengukur putaran (22) digunakan untuk m engukur kecepatan mesin yang ditampilkan pada display monitor (15). Load cell () digunakan untuk mengukur gaya yang dihasilkan dari dynamometer. Tangki bahan bakar (17) dihubungkan dengan buret (19) digunakan untuk mengukur konsumsi bahan bakar. Katub bahan bakar (1) dan (2) digunakan untuk mengatur persediaan bahan bakar. Emisi smoke yang dikeluarkan dari mesin diesel diukur dengan menggunakan smoke meter [23]. Keterangan : 1. Mesin diesel 2. Dinamometer hidraulik 3. Pompa dinamometer 4. Tangki air 5. Katub bukaan EGR 6. Katub bukaan beban 7. Penukar kalor. Manometer pipa U 1 9. Manometer pipa U 2 1. Temperatur gas buang 11. Temperatur EGR masuk 12. Temperatur EGR keluar 13. Temperatur udara masuk 14. Temperatur air pendingin 15. Monitor penunjuk. Load cell 17. Tangki bahan bakar 1. Katub bahan bakar Buret 2. Katub bahan bakar Pompa bahan bakar 22. Pengukur putaran 23. Smoke meter. Gas Analyzer 25. Inlet Gas Analyzer Gambar 1. Skema Penelitian. 3. Hasil dan Pembahasan Gambar 2, 3, 4, dan 5 menunjukkan pengaruh EGR terhadap smoke opacity dengan variasi beban menggunakan bahan bakar D1,, D9LPM1, dan D5LPM15. Pada setiap variasi bahan bakar, nilai smoke opacity meningkat dengan meningkatnya beban. Nilai smoke opacity meningkat ketika menggunakan EGR pada variasi bahan bakar D1,, D9LPM1, dan D5LPM15. Hal ini dikarenakan EGR dapat mengurangi jumlah udara segar di dalam ruang bakar sehingga mereduksi konsentrasi oksigen yang mengakibatkan temperatur di dalam ruang bakar menurun [6],[7]. Pada Gambar 2, 3, 4, dan 5, peningkatan nilai smoke opacity pada variasi bahan bakar D1,, D9LPM1, dan D5LPM15 ketika menggunakan katub bukaan EGR 25%, 5%, 75%, 1% dengan beban 1% terhadap katub bukaan EGR % pada beban yang sama sebesar,9%, 2,25%, 3,12%, 4,39% untuk D1, 19,%, 51,26%, 56,11%, 57,57% untuk, 2,94%, 53,4%, 5,15%, 59,5% untuk D9LPM1 dan 41,3%, 47,5%, 6,79%, 62,5% untuk D5LPM95. Effect of low purity, Stefan Mardikus

4 62 ISSN: OEV D1 OEV % OEV 25% OEV 5% OEV 75% OEV 1% Gambar 2. Pengaruh EGR Terhadap Smoke Menggunakan Bahan Bakar D1. 4 OEV OEV % OEV 25% OEV 5% OEV 75% OEV 1% Gambar 3. Pengaruh EGR Terhadap Smoke Menggunakan Bahan Bakar 4 OEV D9LPM1 OEV % OEV 25 % OEV 5 % OEV 75 % OEV 1 % 4 OEV D5LPM15 OEV % OEV 25 % OEV 5 % OEV 75 % OEV 1 % Load (%) Gambar 4. Pengaruh EGR Terhadap Smoke Menggunakan Bahan Bakar D9LPM Gambar 5. Pengaruh EGR Terhadap Smoke Menggunakan Bahan Bakar D5LPM15. Gambar 6, 7,, 9, dan 1 menunjukkan pengaruh campuran bahan bakar terhadap smoke opacity dengan variasi beban pada variasi bukaan katub EGR %, 25%, 5%, 75%, dan 1%. Pada setiap variasi bukaan katub EGR, nilai smoke opacity meningkat dengan meningkatnya beban. Ketika menggunakan metanol pada setiap variasi campuran bahan bakar diesel-metanol, nilai smoke opacity menurun. Hal ini dikarenakan metanol memiliki konsentrasi oksigen yang tinggi di dalam ruang bakar sehingga mengakibatkan menurunya nilai opacity. Selain itu metanol memiliki kandungan air yang tinggi sebesar,%. Pengaruh H 2O dapat menurunkan salah satu unsur pembentuk emisi soot yaitu cyclopenta (C 1H 1) []. Pada Gambar 6, 7,, 9, dan 1, perbedaan nilai smoke opacity dipengaruhi oleh beberapa parameter lainnya seperti injection pressure dan ambient gas temperature [9]. Penambahan prosentase metanol pada bahan bakar, D9LPM1, D5LPM15 mengakibatkan adanya sedikit penurunan nilai smoke opacity. Hal ini dikarenakan tingginya injection pressure mengakibatkan soot oxidation dari partikel O 2 dengan produk hasil pembakaran meningkatkan laju oksidasi soot spesifik [5],[1], sedangkan tingginya ambient gas temperature mengakibatkan menurunnya volume fraksi soot [9]. Pada Gambar 6, 7,, 9, dan 1, penurunan nilai smoke opacity pada setiap variasi katub bukaan EGR %, EGR 25%, EGR 5%, 75%, dan 1% ketika menggunakan campuran bahan MediaTeknika Vol. 1, No. 1, Juni 215: 59 64

5 MediaTeknika ISSN: bakar, D9LPM1 dan D5LPM15 pada beban 1% terhadap bahan bakar D1 pada beban yang sama berturut-turut sebesar 62,42%, 64,79%, dan 6,37% untuk EGR %, 53,57%, 55,4%, dan 46,6% untuk EGR 25%, 22,9%,,43%, dan 39,76% untuk EGR 5%, 17,4%, 1,4%, dan 21,7% untuk EGR 75%, 15,31%,,72%, dan 1,6% untuk EGR 1%. 4 OEV % D1 D9LPM1 D5LPM15 4 OEV 25% D1 D9LPM1 D5LPM Gambar 6. Pengaruh Campuran Bahan Bakar Bukaan Katub EGR % Gambar 7. Pengaruh Campuran Bahan Bakar Bukaan katub EGR 25%. 4 OEV 5% D1 D9LPM1 D5LPM OEV 75% D1 D9LPM1 D5LPM Gambar. Pengaruh Campuran Bahan Bakar Bukaan Katub EGR 5%. Gambar 9. Pengaruh Campuran Bahan Bakar Bukaan Katub EGR 75%. 4 Sm oke O pacity [% ] OEV 1% D 1 D 9 5 L P M 5 D 9 L P M 1 D 5 L P M L oad [% ] Gambar 1. Pengaruh Campuran Bahan Bakar Variasi Beban Menggunakan Bukaan Katub EGR 1% Effect of low purity, Stefan Mardikus

6 64 ISSN: Kesimpulan Penelitian tentang pengaruh EGR dan campuran bahan bakar diesel-low purity methanol pada smoke opacity mesin diesel direct injection telah dilakukan. Berdasarkan hasil eksperimen, dapat disimpulkan bahwa smoke opacity meningkat dengan meningkatnya beban mesin pada bahan bakar diesel dan campuran bahan bakar diesel-low purity methanol dengan laju EGR yang berbeda. Metode penggunaan EGR berpengaruh terhadap smoke emisi yang ditimbulkan dari mesin diesel. Peningkatan laju EGR mengakibatkan meningkatnya smoke opacity pada bahan bakar diesel dan campuran bahan bakar diesel-methanol. Pada penelitian ini mesin diesel dengan bahan bakar diesel 1%, smoke opacity meningkat secara merata terhadap meningkatnya laju EGR pada beban yang sama. Penggunaan LPM sebagai campuran bahan bakar dapat mereduksi emisi smoke opacity yang ditimbulkan oleh mesin diesel. Penurunan smoke opacity menjadi kecil ketika laju EGR meningkat, khususnya terjadi pada bukaan katub EGR 1%. Daftar Pustaka [1] Zhiqiang Guo, Tianrui Li, 211, Combustion and Emission Characteristic of Blends of Diesel Fuel and Methanol to Diesel, International Journal of Fuel (9), ScienceDirect, pp [2] Lei Zhu, C.S. Cheung, W.G. Zhang, Zhen Huang, 21, Emissions Characteristic of a Diesel Engine Operating on Biodiesel and Biodiesel Blended with Ethanol and Methanol, International Journal of the Total Enviroment (4), ScienceDirect, pp [3] V. Pradeep, R.P. Sharma, 27, Use of Hot EGR for NOx Control in a Compression Ignition Engine Fuelled with Bio-diesel from Jatropha Oil, International Journal of Renewable Energy (), ScienceDirect, pp [4] L. Nirajan, Shinjo, Experimental Investigation on The Effects of Cold and Hot EGR Using Diesel and Biodiesel as Fuel, India, Department of Mechanical Engineering. [5] Cenk Sayin, Ahmet Necati, Mustafa Canakci, 21, The Influence of Operating Parameters on The Performance and Emissions of a DI Diesel Engine Using Methanol-Blended-Diesel Fuel, International Journal of Fuel (9), ScienceDirect, pp [6] Avinash K., 24, Effect of EGR on The Exhaust Gas Temperature and Exhaust Opacity in Compression Ignition Engines, Sadhana, Vol 29, pp [7] Jothithirumal B., 212, Combined Impact of Biodiesel and Exhaust Gas Recirculation on NOx Emissions in Di Diesel Engines, Procedia Engineering (3), ScienceDirect, pp [] Paul D., 212, The Effect of CO 2/H2 on The Formation of Soot Particles in The Homogeneous Environment of a Rapid Compression Facility, International Journal of Combustion and Flame (159), ScienceDirect, pp [9] Lyle M. P., Dennis L. S., 24, Soot in Diesel Fuel Jets: Effects of Ambient Temperature, Ambient Density, and Injection Pressure, International Journal of Combustion and Flame (13), ScienceDirect, pp [1] Heywood, JohnB.L., 19, Internal Combustion Engine Fundamentals, United States of America, McGraw- Hill, Inc. [11] American Isuzu Motors, 2, Specification of Diesel Engine, United States of America. [12] Yafid Effendi, Uji Performa dan Emisi Mesin Diesel Campuran 3 Bahan Bakar Biosolar Metanol Jatropha. Universitas Diponegoro : 213. MediaTeknika Vol. 1, No. 1, Juni 215: 59 64