STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH CAMPURAN ETHANOL PREMIUM DAN AIR FUEL RATIO TERHADAP UNJUK KERJA MESIN BENSIN 4 LANGKAH 4 SILINDER

Transkripsi

1 STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH CAMPURAN ETHANOL PREMIUM DAN AIR FUEL RATIO TERHADAP UNJUK KERJA MESIN BENSIN 4 LANGKAH 4 SILINDER SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh: ANDRI WIBOWO NIM. I JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2012

2

3 STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH CAMPURAN ETHANOL PREMIUM DAN AIR FUEL RATIO TERHADAP UNJUK KERJA MESIN BENSIN 4 LANGKAH 4 SILINDER Disusun oleh : ANDRI WIBOWO NIM. I Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II Ir. Agustinus Sujono, MT. Rendy Adhi Rachmanto, ST., MT. NIP NIP Telah dipertahankan di hadapan Tim Dosen Penguji pada hari..., tanggal Wibawa Endra J., ST., MT. NIP Zainal Arifin, ST., MT. NIP Wibowo, ST., MT. NIP Mengetahui: Ketua Jurusan Teknik Mesin Koordinator Tugas Akhir Didik Djoko Susilo, ST., MT Wahyu Purwo R.,ST, MT. NIP NIP

4 MOTTO Hidup adalah sebuah kompetisi, dan kompetisi itu bukan sekedar pertarungan fisik, materi dan kecerdasan tetapi juga pertarungan mental. (Penulis)

5 Studi Eksperimental Pengaruh Campuran Ethanol Premium dan Air Fuel Ratio Terhadap Unjuk Kerja Mesin Bensin 4 Langkah 4 Silinder Andri Wibowo Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia andriz_area@yahoo.com Abstrak Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh Air Fuel Ratio (AFR) dan penambahan ethanol terhadap unjuk kerja dan emisi gas buang mesin. Seksi uji penelitian menggunakan mesin Toyota Corolla KE20 F 1166 cc tahun 1971 dengan sistem pengisian bahan bakar karburator. Bahan penelitian yang digunakan adalah premium dengan nilai kalor 7045,046 kal/ml dan E20 (20% volume ethanol + 80% volume bensin) dengan nilai kalor 6943,207 kal/ml. Penelitian dilakukan dengan cara mengkopel poros mesin uji dengan poros Engine Test Bed untuk memperoleh torsi keluaran, sedangkan Exhaust Gas Analyzer dipasangkan ke saluran gas buang mesin untuk mengukur emisi gas buang. AFR divariasikan dengan mengganti mainjet primer dan sekunder pada karburator. Penelitian dilakukan secara berurutan dengan bahan bakar premium kemudian E20 pada putaran 3000 rpm dan 3500 rpm serta bukaan throttle 40%. Hasil penelitian menunjukan bahwa pada campuran kaya λ < 1, apabila dibandingkan dengan unjuk kerja saat λ = 1, baik menggunakan premium maupun E20 akan menaikan torsi, daya, SFC, MEP, dan efisiensi termal, sedangkan efisiensi volumetrisnya turun. Emisi HC dan CO juga naik, sedangkan emisi CO 2, NO x dan O 2 berkurang. Pada campuran miskin λ > 1, apabila dibandingkan dengan unjuk kerja saat λ = 1, baik menggunakan bahan bakar premium maupun E20 akan menurunkan torsi, daya, MEP dan efisiensi termal, sedangkan SFC dan efisiensi volumetrisnya naik. Selain itu emisi HC, CO 2, NO x dan CO juga turun, sedangkan O 2 naik. Apabila dibandingkan dengan unjuk kerja bahan bakar premium, penambahan 20% volum ethanol akan memperkecil AFR, torsi, daya, MEP, efisiensi termal, dan efisiensi volumetris, sedangkan SFC meningkat. Selain itu emisi HC dan CO berkurang, sedangkan emisi CO 2, NO x, dan O 2 bertambah. Kata kunci: premium, ethanol, torsi, afr, emisi v

6 Experimental Study of Ethanol-Gasoline Blends and Air-Fuel Ratio effect on Performance of 4 Stroke 4 Cylinders Engine Andri Wibowo Mechanical Engineering Department Engineering Faculty of Sebelas Maret University Surakarta, Indonesia andriz_area@yahoo.com Abstract This research aim was to determine the air fuel ratio (AFR) and ethanol addition effect to an engine performance and its exhaust gas emission. The 1971 Toyota Corolla KE20 F 1166 cc engine with carburetor fuel inlet system was used as the experimental section. While a gasoline fuel with 7045,046 cal/ml heating value and E20 (20% volume ethanol + 80% volume gasoline) with 6943,207 cal/ml heating value as the research substance. The research was conducted by connecting the experimental engine shaft with an engine test bed shaft to find out the output torque, while an exhaust gas analyzer were fitted to the engine exhaust to measure the exhaust gas emission. The AFR was varied by replacing the primary and secondary main-jet in the carburetor. The research was conducted sequentially using the gasoline fuels then E20 on 3500 and 3000 rpm in 40% throttle opening. The result showed that λ < 1 in rich mixture, when compared with the performance in the λ = 1 condition, using either a gasoline or E20, the λ < 1 in rich mixture condition would increase the torque, power, SFC, MEP, and thermal efficiency, while the volumetric efficiency was decreased. The HC and CO emission were also increased, while the CO 2, NO x, and O 2 were decreased. While in the lean mixture, the result showed that the λ > 1. When compared with the λ = 1 condition, using either a gasoline or E20, the λ > 1 in lean mixture condition would reduce the torque, power, MEP and thermal efficiency, while the SFC and the volumetric efficiency were increased. The HC, CO 2, NO x, and CO also decreased while the O 2 was increased. Compared with the gasoline fuel performance, 20% volume ethanol addition would reduce the AFR, torque, power, MEP, thermal efficiency, and volumetric efficiency, whereas the SFC was increase. The HC and CO emission were also decreased, while the CO 2, NO x, and O 2 emission was increased. Keywords: gasoline, ethanol, torque, afr, emission vi

7 PERSEMBAHAN Kepada mereka yang telah berjasa, kepada mereka pula aku persembahkan karya ini. Mereka adalah: Allah SWT Segala yang kualami adalah kehendak-mu, segala puji bagi-mu, ya Allah, Tuhan semesta Alam, hanya kepada-mu aku memohon, hanya kepada-mu aku beriman, dan hanya kepada- Mu aku berserah diri. Nabi Muhammad Shalallahu Alaihi Wassalam Manusia terbaik di muka bumi, uswatun hasanah, penyempurna akhlak, shollawat serta salam semoga selalu tercurah kepadanya, keluarga, sahabat, dan pengikutnya yang istiqomah sampai akhir zaman. Mami dan Papi Tercinta Terima kasih atas kasih sayang dan cinta yang tak pernah putus darimu. Kasih sayang kalian tak akan pernah kulupakan sepanjang hidupku. Semoga Allah selalu memberikan nikmat, kesehatan, rezeki yang cukup, serta mengampuni segala dosa-dosanya, Amin. Mbak Sriwinarni, Mbak Sriutami, Rhamadhani Kurniawan Adik dan kakak kakakku tersayang, terima kasih atas bantuan, dorongan, serta semangat yang telah kalian berikan, kalian merupakan bagian terbaik dalam hidupku. Imam budianto, Yusuf aziz Temanku sekaligus saudasraku yang selalu ada dan mengerti keadaanku. Semua Mahasiswa Teknik Mesin UNS Terima kasih untuk semuanya Dosen dan Karyawan Teknik Mesin UNS Tanpa anda semua, tidak ada yang bisa kulakukan.

8 KATA PENGANTAR Puji dan syukur kehadirat ALLAH SWT, Tuhan Yang Maha Esa atas segala limpahan rahmat dan Karunia-Nya sehingga penulis dapat melaksanakan dan menyelesaikan Skripsi Studi Eksperimental Pengaruh Campuran Ethanol Premium dan Air Fuel Ratio Terhadap Unjuk Kerja Mesin Bensin 4 Langkah 4 Silinder ini dengan baik. Skripsi ini disusun guna memenuhi persyaratan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dalam penyelesaian skripsi ini tidaklah mungkin dapat terselesaikan tanpa bantuan dari berbagai pihak, baik secara langsung ataupun tidak langsung. Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih yang sebesar besarnya kepada semua pihak yang telah membantu dalam menyelesaikan Skripsi ini, terutama kepada: 1. Sang Pencipta, Allah SWT, atas segala kenikmatan dan kemudahan yang telah diberikan. 2. Bapak Ir. Agustinus Sujono, M.T. selaku pembimbing I atas bimbingan serta nasehatnya hingga selesainya penulisan skripsi ini. 3. Bapak Rendy Adhi Rachmanto, S.T., M.T. selaku pembimbing II yang senantiasa memberikan arahan, saran, serta bimbingan dalam penyusunan skripsi ini. 4. Bapak Didik Djoko Susilo, ST., MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin UNS Surakarta. 5. Bapak Zainal Arifin, ST., MT, selaku pembimbing akademis yang selalu memberikan motivasi dan semangat dari awal masuk kuliah sampai sekarang. 6. Seluruh staf dosen Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret atas bimbingan dan bantuannya selama penulis menempuh pendidikan. 7. Seluruh staf karyawan di Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret atas bantuannya selama penulis menempuh pendidikan. viii

9 8. Bapak, Ibu, mbak Wiwi, mbak Oet, adiku Rhamahani Kurniawan dan seluruh keluarga atas do a restu, motivasi dan dukungan material maupun spiritual selama penyelesaian Tugas Akhir. 9. Teman seperjuanganku Daniel Sahisnu Raharjo, yang sudah membantu dan bekerja sama dalam pengerjaan Tugas Akhir ini. 10. Teman-teman baikku, Kowor, Reja, Aris, Rico, Ipank, bobi, singih, wikopet, terimakasih yang tak terkira untuk kalian semua. Thank s all. Semoga sukses untuk semuanya, aku tidak akan melupakan kalian. 11. Temen-temen Teknik Mesin 2006 dan seluruh kakak dan adik angkatan teknik mesin UNS. Solidarity M forever. 12. Semua pihak yang telah memberikan bantuan moral dan spiritual hingga terselesainya penulisan skripsi ini. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari sempurna, maka kritik dan saran penulis harapkan untuk kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat berguna bagi ilmu pengetahuan dan kita semua Amin. Surakarta, Juli 2012 Andri Wibowo ix

10 DAFTAR ISI Halaman Halaman Judul... i Halaman Surat Penugasan... ii Halaman Pengesahan... iii Halaman Motto... iv Halaman Abstrak... v Halaman Persembahan... vii Kata Pengantar... viii Daftar Isi... x Daftar Tabel... xii Daftar Gambar... xiii Daftar Notasi... xvi Daftar Lampiran... xviii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan dan Manfaat Sistematika Penulisan... 3 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Tinjauan Pustaka Dasar Teori Motor Pembakaran Dalam Jenis Spark Ignition (SI engine) Gambar dan Geometri Piston silinder Pada Mesin Prinsip Kerja Motor Bensin Empat Langkah Siklus Otto ideal (siklus Volume Konstan) Analisis Termodinamik siklus Otto Ideal Unjuk Kerja Mesin Torsi dan Daya Tekanan Efektif Rata-rata (MEP) Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC) Perbandingan Udara dan Bahan Bakar (AFR) Efisiensi Emisi Gas Buang Hidrokarbon (HC) Karbon Monoksida (CO) Nitrogen Oksida (NO x ) Karbon Dioksida (CO 2 ) Oksigen (O 2 ) Termokimia dan Bahan Bakar Reaksi Pembakaran Bahan Bakar Bensin Hidrokarbon Penyalaan sendiri (Self Ignition) Bilangan Oktan Ethanol x

11 2.2.9 Karburator Jenis Karburator Sistem Pada karburator Cara Kerja sistem Pada Karburator Perhitungan Dasar Air Fuel Ratio (AFR) Karburator Bab III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tempat Penelitian Alat dan Bahan Penelitian Alat Bahan Skema alat Prosedur Penelitian Tahap Persiapan Tahap Pengujian Metode Analisa Data Diagram Alir Penelitian BAB IV DATA DAN ANALISA 4.1 Data Hasil Pengujian Bahan Bakar Perhitungan Data Perhitungan Unjuk Kerja Mesin Perhitungan Air Fuel Ratio (AFR) Bahan Bakar Perhitungan Air Fuel Equivalence Ratio (λ) Bahan Bakar Dasar Perhitungan Air Fuel Ratio (AFR) Karburator Tabel Perhitungan Data Analisa Data Analisa Unjuk Kerja Mesin Analisa Emisi Gas Buang BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xi

12 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Pengaruh konsentrasi COHb dalam darah terhadap kesehatan manusia Tabel 2.2 Berat Molekul Tabel 3.1 Spesifikasi Mesin Tabel 4.1 Data hasil pengujian karakteristik bahan bakar Tabel 4.2 Data hasil pengujian unjuk kerja premium pada putaran 3000 rpm Tabel 4.3 Data hasil pengujian unjuk kerja E20 pada putaran 3000 rpm. 52 Tabel 4.4 Data hasil pengujian unjuk kerja premium pada putaran 3500 rpm Tabel 4.5 Data hasil pengujian unjuk kerja E 20 pada putaran 3500 rpm 53 Tabel 4.6 Data hasil pengujian emisi premium pada putaran 3000 rpm Tabel 4.7 Data hasil pengujian emisi E 20 pada putaran 3000 rpm Tabel 4.8 Data hasil pengujian emisi premium pada putaran 3000 rpm Tabel 4.9 Data hasil pengujian emisi E 20 pada putaran 3500 rpm Tabel 4.10 Data hasil perhitungan air fuel ratio (AFR) E Tabel 4.11 Data hasil perhitungan unjuk kerja premium pada putaran 3000 rpm Tabel 4.12 Data hasil perhitungan unjuk kerja premium pada putaran 3500 rpm Tabel 4.13 Data hasil perhitungan unjuk kerja E 20 pada putaran 3000 rpm 61 Tabel 4.14 Data hasil perhitungan unjuk kerja E 20 pada putaran 3500 rpm 61 xii

13 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Piston-silinder mesin... 6 Gambar 2.2 Geometri piston-silinder mesin Gambar 2.3 Siklus langkah pada motor bensin empat langkah... 7 Gambar 2.4 Diagram P-V pada siklus otto ideal... 9 Gambar 2.5 Diagram T-s pada siklus otto ideal... 9 Gambar 2.6 Grafik hubungan lambda dengan emisi gas buang Gambar 2.7 Efisiensi pembakaran sebagai fungsi perbandingan equivalen bahan bakar Gambar 2.8 Karburator arus naik Gambar 2.9 Karburator arus sisi datar Gambar 2.10 Karburator arus turun Gambar 2.11 Konstruksi ruang pelampung Gambar 2.12 Cara kerja pelampung Gambar 2.13 Cara kerja Needle Valve Gambar 2.14 Air Vent Tube Gambar 2.15 Sistem stasioner Gambar 2.16 Sistem kecepatan lambat Gambar 2.17 Sekrup penyetel campuran idle Gambar 2.18 Katub solenoid Gambar 2.19 Primary High Speed System Gambar 2.20 Kerja air bleader Gambar 2.21 Semprotan Air Bleeder Gambar 2.22 Sistem Tenaga Gambar 2.23 Sistem Percepatan Gambar 2.24 Bagian-bagian dasar karburator Gambar 3.1 Mesin Toyota Corolla KE20 F Gambar 3.2 Land &Sea s DYNOmite Dynamometer Computer System Gambar 3.3 Exhaust gas analyzer model Gambar 3.4 Mainjet primer dan sekunder pada karburator Gambar 3.5 Alat bantu perbengkelan Gambar 3.6 Perangkat bom kalori meter Gambar 3.7 Timbangan digital Gambar 3.8 Viskometer Oswald Gambar 3.9 Gelas Pikno Gambar 3.10 Gelas ukur Gambar 3.11 Premium Gambar 3.12 Ethanol Gambar 3.13 Skema 2D pengujian unjuk kerja dan emisi gas buang mesin Toyota Corolla KE20 F dengan bahan bakar premium dan E Gambar 3.14 Skema 3D pengujian unjuk kerja dan emisi gas buang mesin Toyota Corolla KE20 F dengan bahan bakar premium dan E xiii

14 Gambar 3.15 Foto pengujian unjuk kerja dan emisi gas buang mesin Toyota Corolla KE20 F dengan bahan bakar premium dan E Gambar 3.16 Diagram Alir Penelitian Gambar 4.1a Grafik pengaruh AFR terhadap torsi mesin pada bukaan throttle premium dan E Gambar 4.1b Grafik pengaruh λ terhadap torsi mesin pada bukaan throttle premium dan E Gambar 4.2a Grafik pengaruh AFR terhadap daya mesin pada bukaan throttle premium dan E Gambar 4.2b Grafik pengaruh λ terhadap daya mesin pada bukaan throttle premium dan E Gambar 4.3a Grafik pengaruh AFR terhadap sfc pada bukaan throttle 40%, putaran mesin 3000 rpm dan 3500 rpm, bahan bakar premium dan E Gambar 4.3b Grafik pengaruh λ terhadap sfc pada bukaan throttle 40%, putaran mesin 3000 rpm dan 3500 rpm, bahan bakar premium dan E Gambar 4.4a Grafik pengaruh AFR terhadap mep pada bukaan throttle 40%, putaran mesin 3000 rpm dan 3500 rpm, bahan bakar premium dan E Gambar 4.4b Grafik pengaruh λ terhadap mep pada bukaan throttle 40%, putaran mesin 3000 rpm dan 3500 rpm, bahan bakar premium dan E Gambar 4.5a Grafik pengaruh λ terhadap η t pada bukaan throttle 40%, putaran mesin 3000 rpm dan 3500 rpm, bahan bakar premium dan E Gambar 4.5b Grafik pengaruh λ terhadap η t pada bukaan throttle 40%, putaran mesin 3000 rpm dan 3500 rpm, bahan bakar premium dan E Gambar 4.6a Grafik pengaruh AFR terhadap η v mesin pada bukaan throttle premium dan E Gambar 4.6b Grafik pengaruh λ terhadap η v mesin pada bukaan throttle 40%, putaran mesin 3000 rpm dan 3500 rpm, bahan bakar premium dan E Gambar 4.7a Grafik pengaruh AFR terhadap emisi HC pada bukaan throttle premium dan E Gambar 4.7b Grafik pengaruh λ terhadap emisi HC pada bukaan throttle 40%, putaran mesin 3000 rpm dan 3500 rpm, bahan bakar premium dan E Gambar 4.8a Grafik pengaruh AFR terhadap emisi CO 2 pada bukaan throttle premium dan E xiv

15 Gambar 4.8b Grafik pengaruh λ terhadap emisi CO 2 pada bukaan throttle premium dan E Gambar 4.9a Grafik pengaruh AFR terhadap emisi NO x pada bukaan throttle premium dan E Gambar 4.9b Grafik pengaruh λ terhadap emisi NO x pada bukaan throttle premium dan E Gambar 4.10a Grafik pengaruh AFR terhadap emisi CO pada bukaan throttle premium dan E Gambar 4.10b Grafik pengaruh λ terhadap emisi CO pada bukaan throttle 40%, putaran mesin 3000 rpm dan 3500 rpm, bahan bakar premium dan E Gambar 4.11a Grafik pengaruh AFR terhadap emisi O 2 pada bukaan throttle premium dan E Gambar 4.11b Grafik pengaruh λ terhadap emisi O 2 pada bukaan throttle 40%, putaran mesin 3000 rpm dan 3500 rpm, bahan bakar premium dan E xv

16 DAFTAR NOTASI AFR = Air Fuel Ratio B = Bore (dm 3 ) BDC = Bottom Dead Centre (dm 3 ) C Dt = dischrage koefficient of venturi throat C Dc = dischrage koefficient of capillary tube CO = Karbon monooksida CO 2 = Karbon dioksida c v = Panas spesifik (0,718 kj/kg. K) E20 = Campuran 20% etanol, 80% bensin g = Percepatan grafitasi (m/s 2 ) HC = Hidrokarbon k = 1,4 m a = massa udara (kg) = Laju aliran massa udara (kg/h) m f = massa bahan bakar (kg) ṁ f = Laju aliran massa bahan bakar (kg/h) mep = Mean Effective Pressure (kpa) m m = massa campuran bahan bakar dan udara (kg) M = berat molekul N = Putaran mesin (RPM) N = Jumlah mol (kg.mol) NO x = Nitrogen oksida n = jumlah putaran tiap siklus O 2 = Oksigen P 0 = Tekanan udara luara (kpa) P 1 = Tekanan pada langkah hisap (kpa) P 2 = Tekanan pada langkah kompresi (kpa) P 3 = Tekanan pada saat pembakaran (kpa) P 4 = Tekanan pada langkah ekspansi (kpa) Q LHV = Nilai kalor rendah bahan bakar (kj/kg) Q 2-3 = Jumlah panas yang masuk (kj) Q 4-1 = Jumlah panas yang keluar (kj) R = Tetapan gas ideal (0,287 kj/kg. K) r c = perbandingan kompresi SFC = spesific fuel consumption (kg/kw.h) TDC = Top Dead Centre (dm 3 ) T 0 = Temperatur lingkungan ( K) T 1 = Temperatur pada langkah hisap ( K) T 2 = Temperatur pada saat pembakaran ( K) T 3 = Temperatur pada langkah ekspansi ( K) T 4 = Temperatur pada langkah buang ( K) V d = Volume langkah (m 3 ) V c = Volume sisa (m 3 ) V 1 = Volume langkah hisap (m 3 ) xvi

17 V 2 = Volume pada saat pembakaran ( K) V 3 = Volume pada langkah ekspansi ( K) V 4 = Volume pada langkah buang ( K) Ẇ = Daya (kw) W 1-2 = kerja kompresi (kj) W 3-4 = kerja ekspansi (kj) z = jumlah silinder ρ a = Massa jenis udara (kg/m 3 ) ρ f = Massa jenis bahan bakar (kg/m 3 ) η c = Efisiensi pembakaran (%) η v = Efisiensi volumetris (%) η f = Efisiensi termal (%) λ = Air-fuelr equivalen ratio = Fuel-air equivalen ratio τ = Torsi (Nm) xvii

18 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran A. Data hasil pengujian karakteristik bahan bakar Lampiran B. Data hasil pengujian unjuk kerja mesin Lampiran C. Data hasil pengujian emisi gas buang Lampiran D. Data hasil perhitungan unjuk kerja mesin xviii