BAB IV ANALISA DATA DAN PERHITUNGAN

Transkripsi

1 BAB IV ANALISA DATA DAN PERHITUNGAN Analisis Reaksi Proses Proses Pembakaran Perhitungan stoikiometry udara yang dibutuhkan untuk pembakaran Untuk pembakaran diperlukan udara. Jumlah udara yang diperlukan dapat dihitung dengan menggunakan metode yang diberikan dibawah ini. Langkah pertama adalah menentukan komposisi bahan bakar bakar. Spesifikasi bahan bakar bensin dari analisis laboratorium diberikan dibawah ini: Tabel 4.1 Analisis Berat Unsur Unsur % Berat Karbon 85,9 Hidrogen 12 Oksigen 0,7 Nitrogen 0,5 Sulfur 0,5 H2O 0,35 Abu 0,05 Dari data analisis dengan jumlah sampel bahan kimianya adalah sebagai berikut: bakar 100 kg, maka reaksi Unsur Berat Molekul (kg / kg mol) C O2 H2 S N2 CO2 SO2 H2O C + O 2 CO 2 33

2 H 2 + ½ O 2 H 2 O S + O 2 SO 2 Unsur bahan bakar C + O 2 CO kg karbon memerlukan 32 kg oksigen membentuk 44 kg karbon dioksida, oleh karena itu 1 kg karbon memerlukan 32/12 kg atau 2,67 kg oksigen (85,9) C + (85,9 x 2,67) O2 315,25 CO2 2H2 + O2 2H2O kg hidrogen memerlukan 32 kg oksigen membentuk 36 kg air, oleh karena itu 1 kg hidrogen memerlukan 32/4 kg atau 8 kg oksigen. (12) H2 + (12 x 8) O2 (12 x 9 ) H2O S + O2 SO kg sulfur memerlukan 32 kg oksigen membentuk 64 kg sulfur dioksida, oleh karena itu 1 kg sulfur memerlukan 32/32 kg atau 1 kg oksigen (0,5) S + (0,5 x 1) O2 1,0 SO2 Oksigen total yang dibutuhkan = (229, ,5) = 325,57 kg Oksigen yang sudah ada dalam 100 kg bahan bakar (ditentukan) = 0,7 kg Oksigen tambahan yang diperlukan = 325,57 0,7 = 324,87 kg Jadi, jumlah udara kering yang diperlukan = (324,87) / 0,23 (udara mengandng 23% berat oksigen) = 1412,45 kg udara Udara teoritis yang diperlukan = (1412,45) / 100 = 14,12 kg udara / kg bahan bakar 34

3 Jadi dari perhitungan diatas terlihat, untuk membakar setiap kg bahan bakar diperlukan udara 14,12 kg Perhitungan kandungan CO2 teoritis dalam gas buang Sangat perlu untuk menghitung kandungan CO2 dalam gas buang, karena dapat digunakan untuk menghitung udara berlebih dalam gas buang. Sejumlah tertentu udara berlebih diperlukan untuk pembakaran sempurna bahan bakar, tetapi jika terlalu banyak udara berlebih dapat menyebabkan kehilangan panas dan terlalu sedikit udara berlebih dapat mengakibatkan pembakaran yang tidak sempurna. CO2 dalam gas buang dapat dihitung sebagai berikut: Nitrogen dalam gas buang = ,87 = 1087,58 kg % volume CO2 teortis dalam gas buang dihitung seperti dibawah ini: Mol CO2 dalam gas buang = (314,97) / 44 = 7,16 Mol N2 dalam gas buang = (1087,58) / 28 = 38,84 Mol SO2 dalam gas buang = 1/64 = 0,016 % Volum CO2 teoritis = (Mol CO2 x 100) / Mol Total (Kering) = (7,16 x 100) / (7, ,84 + 0,016) = 15,5% Perhitungan unsur-unsur gas buang dengan udara berlebih Setelah diketahui kebutuhan udara teoritis dan kandungan CO2 teoritis dalam gas buang,langkah berikutnya adalah mengukur persen CO2 sebenarnya dalam gas buang. Pada perhitungan dibawah diasumsikan bahwa % CO2 terukur dalam gas buang adalah sebesar 10%. % CO2teoritis % Udara berlebih = 1 X100 % CO2sebenarnya = [(15,5/10 1)] x 100 = 55% Udara teoritis yang diperlukan untuk 100 kg bahan bakar yang terbakar = 1412,45 kg. Jumlah total pasokan udara yang diperlukan dengan udara berlebih 55% = 1412,45 x 0,55 35

4 = 2189,30 kg Jumlah udara berlebih (udara berlebih nyata - teoritis) = 2189, ,45 = 776,85 Dalam udara perbandingan antara Oksigen dan Nitrogen 23 % : 77% : O2 (23%) = 776,85 x 0,23 = 178,68 kg N2 (77%) = 776,85 178,68 = 598,17 kg Jumlah kandungan akhir unsur gas buang dengan udara berlebih 55% untuk setiap 100 kg bahan bakar adalah seperti dibawah ini: CO2 = 314,97 kg H2O = 108,00 kg SO2 = 1 kg O2 = 178,68 kg N2 = 1685,75 kg (= 1087,58 dalam udara + 598,17 dalam udara berlebih) Perhitungan % volume CO2 teoritis dalam gas buang kering Setelah didapat hasil perhitungan jumlah unsur dalam satuan berat, kemudian dapat dihitung jumlah unsur berdasarkan satuan volume sebagai berikut: Mol CO2 dalam gas buang = 314,97 / 44 = 7,16 Mol SO2 dalam gas buang = 1/64 = 0,016 Mol O2 dalam gas buang = 178,68 / 32 = 5,58 Mol N2 dalam gas buang = 1685,75 / 28 = 60,20 % volume CO2 teoritis = ( 2 MolCO X100) Mol. total.ker ing = (7,16 x 100) / (7,16 + 0, , ,20) = 10% % volume O2 teoritis = (5,58 x 100) / 72,956= 7,5% Untuk pembakaran bahan bakar yang optimum, CO2 atau O2 dalam gas buang yang harus dicapai sebagai berikut: CO2 = % 36

5 O2 = 2 3 % 4.2. Analisis Massa Gas Hasil Pembakaran Proses pembakaran dapat terjadi sempurna jika kebutuhan oksigen / udara untuk membakar bahan bakar bensin tersebut dijaga pada rasio yang memadai. Oleh karena itu proses pembakaran tersebut harus memenuhi reaksi kimia N 2 : C 8 H ,5 ( O 2 + 3,76 N 2 ) 2 CO+ 6 CO H 2 O + 43,24 N 2 Bahan bakar yang dipergunakan adalah bensin (gasoline) dengan komposisi untuk setiap konsumsi bahan bakar ( FC ) terkandung : C H O S N 0,859 0,12 0,007 0,005 0,005 Sedangkan untuk kelebihan udara ( excees air ) di ambil 10 % untuk jenis Natural gas dari table di bawah: Tabel 4 2. Kelebihan udara Fuel Excees Air ( % ) Coal Coke Wood Bagasse Oil 8 15 Natural Gas 5 10 Refinery gas 8 15 Blast Furnace gas Coke Oven gas 5-10 Sumber: Petrovsky,Marine Internal Combustion Engine,hal:55 37

6 Kadar CO yang terbentuk dari reaksi pembakaran yang terjadi sebagai berikut: Untuk membakar 1 Kg C 8 H 18 : Udara yang dibutuhkan ( O 2 + N 2 ) (11,5 X 32) (43,24X 28) : 13,84Kg 114 Prosentase gas-gas yang dihasilkan: Gas CO yang dihasilkan : ( ) / 114 = 0,491 Kg ( 3,3 % ) Gas CO 2 yang dihasilkan : ( ) / 114 = 2,31 Kg ( 15,56 % ) H 2 O yang dihasilkan : ( ) / 114 = 1,42 Kg ( 9,57 % ) N 2 yang dihasilkan : ( 43, ) / 114 = 10,26 Kg ( 69,13 % ) Beberapa data pendukung untuk perhitungan: - AFR : 1 : 13,84 - SFC : 305 g/kw. h - Berat jenis bensin : 0,74 g/ml - Compression ratio : 9.80:1 - Dimensi Silinder : Ø 78 mm X 83,6 mm - Jumlah silinder : 4 unit - Maximum power : 104,4 Kw - Putaran 6500 rpm - Displacement : 1840 cm 3 Dari persamaan ( 2-3 ) diperoleh : m f = SFC. P = 305 g/kw.h. 104,4 Kw = 31,842 kg / h sedangkan konsumsi bahan bakar per siklus daya dihitung: Volume silinder = 0,25.π. (D) 2. L = 0,25. 3,14. ( 78 ) 2. 83,6 mm 3 = 0,399 dm 3 Volume C8H18 per injection = (1/13,84). 0,399 = 0,0288 dm 3 38

7 Massa C8H18 = 0,0288 dm 3. 0,74 Kg/ dm 3 = 0,02 Kg Total konsumsi bahan bakar per siklus daya: m = 4. 0,02 Kg = 0,085 Kg 4.3. Pembahasan Membaca Hasil Gas Analyzer Dari salah satu pengambilan data gas analyzer Mobil Masda Astina 1.8 di bengkel AUTOMART Jl. Panjang 16 Jakarta Barat dengan menggunakan system pengapian Multiple Spark diperoleh data: CO :1.92% CO2 :14.24% HC :252ppm O2 :0.79 % λ : Artinya: 1. CO menunjukkan effisiensi pembakaran dalam silinder, Pembakaran mesin injeksi yang efisien berkisar antara 0,2-1,5% dengan nilai ideal 0,5%. Sedangkan karburator 1-3,5 % dengan nilai ideal 1-2%. 2. CO 2 menunjukkan hasil pembakaran di dalam mesin. Angka idealnya harus diatas 12%. Semakin tinggi nilainya, makin baik pembakaran yang terjadi. Artinya, energi yang dibakar pun makin banyak. Bila nilai CO 2 di bawah 12% ada beberapa hal yang harus disesuaikan, seperti campuran bahan bakar dengan udara kurang tepat atau ruang bakar yang kotor. 3. HC mengindikasikan sisa bensin yang terbuang bersama asap knalpot. Nilai idealnya tak boleh melebihi 300 ppm. Bila melenceng dari nilai ini dapat berakibat tenaga mesin loyo dan boros konsumsi bahan bakar. Periksa kompresi di ruang bakar dan system pengapian. 4. O 2 yang terlalu banyak keluar dari sisa gas buang menandakan proses pembakaran di mesin tidak efisien. Nilainya tak boleh lebih dari 2%. Jika 39

8 kelebihan, artinya ada kebocoran di system gas buang atau setelan bahan bakar terlalu irit. 5. Sedangkan saat lambda kurang dari 1, menandakan bahan bakar boros karena jumlah udara untuk pembakaran kurang. Akan tetapi seandainya jumlah udara mencukupi tetapi pencampuran tidak sempurna maka sebagian bahan bakar tidak akan turut terbakar Analisa Data dan Grafik Pengolahan data untuk membandingkan hasil gas analyzer antara penggunaan system Single Spark dan Multiple Spark dengan sudut pengapian 8.10 dan 12. Sebagai pembanding juga diambil data dengan kondisi standart dan dengan menggunakan Device (Speed Spark). Dari data tersebut akan dianalisa berdasarkan sudut pengapian yang digunakan pada berbagai kondisi terhadap emisi gas buang yang dihasilkan. Adapun analisa grafis yang dilakukan sebagai berikut: Tabel 4.3 Single Spark kondisi standar Emisi Gas Sudut Pengapian Buang CO (%) 1,92 1,92 0,73 0,73 0,52 0,52 CO 2 (%) 14,24 14,24 14,40 14,40 14,61 14,61 O 2 (% ) 0,79 0,79 1,90 1,90 1,39 1,39 HC (ppm) λ 0,99 0,99 1,06 1,06 1,05 1,05 1,92 1,92 0,73 0,73 0,52 0,52 x. CO SingleSpar k 1,

9 Tabel 4.4 Multiple Spark dengan Device Emisi Gas Sudut Pengapian Buang CO (%) 0,59 0,59 0,70 0,70 0,35 0,35 CO 2 ( %) 14,56 14,56 14,48 14,48 14,65 14,65 O 2 (%) 1,32 1,32 1,31 1,31 1,65 1,65 HC (ppm) λ 1,04 1,04 1,04 1,04 1,06 1,06 0,59 0,59 0,70 0,70 0,35 0,35 xco MultipleSpark Prosentase penurunan (Δ) kadar CO antara kedua system pengapian : (1,05 0,54) Δ CO = X100% 50% 1,01 1. Emisi Karbonmonoksida ( CO ) Gambar 4.1 Grafik Sudut Pengapian & CO Dari data dan grafik terlihat bahwa pada system pengapian single spark besarnya prosentase kadar CO masih dipengaruhi oleh variasi sudut pengapian yang digunakan. Kadar CO tertinggi dihasilkan pada sudut pengapian 8 yang 41

10 kemudian turun kembali pada sudut pengapian 10. Hal ini menunjukkan bahwa perubahan sudut pengapian mengakibatkan perubahan kadar CO yang dihasilkan oleh gas buang karena dengan adanya perubahan posisi pengapian akan menyebabkan perubahan waktu penyebaran api oleh busi. Kecepatan api sendiri pada umumnya kurang dari m/detik (Nakoela Sunarto,Motor Serba Guna,hal:26). Sedangkan untuk system pengapian ganda (Multiple Spark) gas CO yang dihasilkan oleh gas buang relatif konstan dan kecenderungannya menaik. Dengan semakin besarnya sudut pengapian terjadi kenaikan kadar CO yang dihasilkan dan secara regresi berada di bawah kadar system pengapian yang menggunakan Single Spark.Hal ini dikarenakan system Multiple Spark juga menggunakan device (Speed Spark) yang dapat mempercepat waktu penyalaan. Dari perhitungan data di atas setelah penggunaan system pengapian Multiple Spark terjadi penurunan kadar CO rata-rata sebesar 50 %. Perhitungan reaksi kimia untuk pembakaran bahan bakar yang tidak sempurna didapatkan prosentase gas CO yang terbentuk sebesar 3,3 % yang berarti masih di bawah batas maximal kadar yang diijinkan. Beberapa sebab dan akibat terbentuknya kandungan CO dalam gas buang : Indikasi pembakaran kaya campuran Kurangnya oksigen saat pembakaran terjadi pada keadaan mesin dingin Tekanan injeksi bahan bakar terlalu tinggi Kebocoran injektor System close loop ECU tidak benar PCV valve rusak kebocoran pada packing intake manifold 2. Emisi Karbondioksida ( CO 2 ) 42

11 Gambar 4.2 Grafik Sudut Pengapian & CO 2 Secara grafis kadar CO 2 yang dihasilkan oleh system pengapian Single Spark mengalami kenaikan pada sudut pengapian 10. Hal ini berkaitan dengan adanya kenaikan gas CO yang dihasilkan,atau dikatakan gas CO 2 yang dihasilkan berbanding terbalik dengan kadar CO yang dihasilkan oleh gas buang. Sedangkan gas CO 2 yang dihasilkan oleh system pengapian Multiple Spark relatif stabil dengan kadar tetap berada di atas system Single Spark,ini menunjukkan bahwa semakin banyak jumlah bahan bakar yang mampu terbakar dalam silinder.dengan system pengapian Multiple Spark sebagian kadar CO dapt dibakar kembali sesuai reaksi: 2 CO + O 2 2 CO 2 3. Emisi HydroCarbon ( HC ) 43

12 Gambar 4.3 Grafik Sudut Pengapian & HC Pada dasarnya jika terjadi pembakaran yang sempurna akan diikuti oleh kenaikan kadar CO 2 dan O 2 sedangkan kadar CO dan HC akan menurun. Dari grafik terlihat pada system Single Spark pembakaran kurang sempurna terjadi pada sudut pengapian 10. Dari grafik terlihat bahwa nilai rata-rata berada di bawah 300 ppm sebagai batas max polutan yang diijinkan,ini berarti menunjukkan bahwa bahan bakar yang terbuang karena tidak terbakar jumlahnya sangat sedikit dan dapat diartikan bahwa konsumsi bahan bakar cukup irit. Beberapa sebab dan akibat terbentuknya kandungan HC dalam gas buang : Terjadinya misfire atau pembakaran tidak sempurna Terlalu dinginnya ruang bakar (wall quenching process adalah salah satunya) Radiator dan system pendingin kurang baik (terlalu dingin) Terjadi carbon deposite pada ruang bakar kebocoran pada packing intake manifold Timing pengapian tidak tepat 44

13 Percikan api pada busi kurang Supply campuran bahan bakar kaya Supply Udara tidak tepat (kurang) Intake air temperatur rendah gap klep terlalu rapat kotoran pada klep terlalu banyak klep terbakar Tekanan kompresi kurang karena kebocoran packing mesin System close loop ecu tidak benar 4. Emisi Oksigen ( O 2 ) Gambar 4.4 Grafik Sudut Pengapian & O 2 Oksigen yang dihasilkan dari gas buang berada di bawah 2 % artinya hampir seluruh udara yang dipergunakan untuk proses pembakaran dapat terbakar dengan sempurna. Kondisi ini berkaitan dengan effisiensi thermis yang akan meningkat. Dengan system pengapian Multiple Spark ini mampu mengkondisikan seluruh jumlah udara yang ada dalam ruang bakar dipergunakan 45

14 untuk membakar bahan bakar,sehingga jumlah Oksigen yang terbawa oleh gas buang mampu diminimize. 5.Grafik Lambda ( λ ) Gambar 4.5 Grafik Sudut Pengapian & λ Dari grafik terlihat bahwa pada saat berlu terpasang multiple spark nilai λ sempat di bawah angka 1 yaitu batas minimalnya,nilai λ berada di atas nilai 1 yang menunjukkan bahwa jumlah udara yang dibutuhkan untuk proses pembakaran telah memenuhi.akan tetapi ini tidak menjamin bahwa semua bahan bakar dapat terbakar secara keseluruhan karena kondisi pencampuran juga sangat menentukan. Dengan system pengapian Multiple Spark memungkinkan bahan bakar yang tidak turut terbakar akan diminimize oleh system pengapian ini. 46