LAPORAN AKHIR INSENTIF SISTEM INOVASI NASIONAL (SINAS) TAHUN 2014

Transkripsi

1 LAPORAN AKHIR INSENTIF SISTEM INOVASI NASIONAL (SINAS) TAHUN 2014 IDENTITAS : RT Judul Topik Penelitian DESAIN COUPLING DAN MIXER VARIABLE UNTUK MEMPERCEPAT PEMANFAATAN LPG SEBAGAI BAHAN BAKAR ANGKUTAN UMUM SERTA PEMILIHAN VAPORIZER YANG SESUAI Bidang Prioritas Iptek : TEKNOLOGI TRANSPORTASI Jenis Insentif Riset : RISET TERAPAN (RT) UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MAGELANG Kampus I : Jalan Tidar No. 21 Magelang Telpon (0293) Fax. (0293) Kampus 2 : Jalan Mayjend Bambang Soegeng Km. 5 Mertoyudan Magelang Telp. (0293)

2

3 LEMBAR IDENTITAS DAN PENGESAHAN 1. Judul topik penelitian : Desain Coupling dan Mixer Variable untuk Mempercepat Pemanfaatan LPG Sebagai Bahan Bakar Angkutan Umum serta Pemilihan Vaporizer yang Sesuai 2. Bidang Prioritas Iptek : Teknologi Transportasi 3. Jenis Insentif Riset : Riset Terapan (RT) 4. Lokasi penelitian : Laboratorium Mesin Otomotif Universitas Muhammadiyah Magelang. 5. Nama Peneliti Utama : Muji Setiyo,ST, MT 6. Nama Lembaga/ Institusi : Lembaga Penelitian Universitas Muhammadiyah Magelang 7. Unit Organisasi : Program Studi Mesin Otomotif Fakultas Teknik 8. Alamat : Jalan Mayjend Bambang Soegeng Km. 5 Mertoyudan Magelang Telp. (0293) Fax. Pesawat Telepon/HP/Fax/ // setiyo.muji@gmail.com Kepala Pusat Penelitian Universitas Muhammadiyah Magelang Magelang, 3 September 2014 Ketua Peneliti, Dra. Kanthi Pamungkas Sari, M.Pd NIDN Muji Setiyo, ST, MT NIDN i

4 RINGKASAN Permasalahan aplikasi LPG untuk kendaraan dengan converter kit konvensional adalah terjadi penurunan daya mesin karena vaporizer tidak dilengkapi dengan sistem tenaga (power system) saat beroperasi pada beban berat. Salah satu solusinya adalah dengan pengembangan model mixer yang bekerja dinamis untuk mengatur aliran LPG dan udara ke mesin secara otomatis menyesuaikan dengan kebutuhan mesin dan kondisi kerja mesin. Mekanisme pengaturan campuran LPG udara didasarkan pada data kevakuman, putaran mesin, dan tingkat bukaan throtle valve. Di Indonesia, program konversi BBM ke LPG untuk angkutan umum mutlak diperlukan untuk mengurangi beban subsidi pemerintah dan mendukung realisasi skenario energi bauran nasional tahun Metode pemecahan masalah yang digunakan adalah metode eksperimen yang terdiri dari tiga tahapan. Tahap pertama adalah pengembangan model mixer yang meliputi kegiatan desain dan penyiapan material prototype. Tahap kedua meliputi kegiatan pembuatan prototiype dan pengujiannya pada kondisi simulasi dan kondisi nyata dengan berbagai tingkat variasi kekencangan pegas diafragma. Tahap ketiga terdiri dari kegiatan analisis hasil pengujian, pengolahan data dan optimasi. Hasil yang diperoleh selama kegiatan penelitian ini adalah sebuah prototype mixer dinamis untuk kendaraan berbahan bakar gas. Hasil pengujian pada unit chassis dynamometer menunjukkan bahwa mixer yang dikembangkan menghasilkan torsi dan daya mesin yang lebih tinggi daripada mixer standar untuk kondisi kerja kendaraan secara umum. Kata kunci : Kendaraan LPG, Mixer Dinamis, Daya Mesin ii

5 KATA PENGANTAR Puji syukur dipanjatkan ke hadirat Allah SWT, karena atas nikmat dan karunia-nya kegiatan Riset Sinas tahun ke-dua yang berjudul Desain Coupling dan Mixer Variable untuk Mempercepat Pemanfaatan LPG Sebagai Bahan Bakar Angkutan Umum serta Pemilihan Vaporizer yang Sesuai ini, dapat diselesaikan dengan baik. Pelaksanaan penelitian ini dibantu dan didukung oleh sejumlah pihak. Oleh karena itu diucapkan terimakasih kepada : 1. Dra. Kanthi Pamungkas Sari, M.Pd. selaku Kepala pusat penelitian Universitas Muhammadiyah Magelang, yang telah memberikan pengarahan dan monitoring selama pelaksanaan kegiatan penelitian. 2. Oesman Raliby, ST, M.Eng. selaku dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Magelang dan reviewer 1 monevin yang telah memberikan pengarahan dan fasilitas selama kegiatan. 3. Saifudin, ST, M.Eng, selaku Ketua Program studi Mesin otomotif dan reviewer 2 monevin yang telah memberikan dukungan. Akhir kata semoga hasil penelitian ini dapat bermanfaat bagi pihakpihak terkait, dan koreksi maupun saran sangat diharapkan untuk penyempurnaannya. Magelang, 16 November 2014 Muji Setiyo, ST, MT NIDN iii

6 DAFTAR ISI LEMBAR IDENTITAS DAN PENGESAHAN... i RINGKASAN... ii KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... iv DAFTAR TABEL... v DAFTAR GAMBAR... vi DAFTAR LAMPIRAN... vii BAB 1. PENDAHULUAN Latar Belakang Permasalahan Lingkup dan Batasan Penelitian... 4 BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA Tinjauan Pustaka Penelitian Relevan BAB 3. TUJUAN DAN MANFAAT Tujuan Manfaat BAB 4. METODE Kegiatan Penelitian Tahap Kegiatan Penelitian Tahap Kegiatan Penelitian Tahap BAB 5. RENCANA CAPAIAN, HASIL DAN PEMBAHASAN Rencana Capaian Hasil dan Pembahasan BAB 6. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA iv

7 DAFTAR TABEL Tabel 4-1 Alat dan bahan kegiatan penelitian tahap Tabel 5-1 Rencana capaian penelitian...17 v

8 DAFTAR GAMBAR Gambar 2-1 Bentuk Fisik Vaporizer... 6 Gambar 2-2. LPG mixer... 8 Gambar 2-3 Grafik penyesuaian pengapian pada mesin LPG... 9 Gambar 4-1 Flow Chart Penelitian Gambar 4-2 Instalasi LPG Gambar 4-3 Skema pengujian pada chassis dynamometer Gambar 5-2 Desain Mixer yang dikembangkan (Final, assembly) Gambar 5-1 Desain Mixer yang dikembangkan (awal) Gambar 5-3 Desain Mixer yang dikembangkan (Final, parts) Gambar 5-4 Proses pembuatan prototype Gambar 5-7 Hasil Uji pada chassis dynamometer Gambar 5-5 Pemasangan mixer variabel pada mesin Gambar 5-6 Pengujian performa pada chassis dynamometer vi

9 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Foto kegiatan penelitian...25 Lampiran 2. Desain mixer yang dikembangkan...26 Lampiran 3. Desain mixer yang dikembangkan (lanjutan)...27 Lampiran 4. Desain mixer yang dikembangkan (lanjutan)...28 Lampiran 5. Log book penelitian...29 vii

10

11 BAB 1. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Salah satu upaya untuk menurunkan konsumsi bahan bakar minyak (BBM) untuk sektor transportasi di Indonesia adalah dengan cara konversi ke bahan bakar gas (BBG). Program konversi ini dapat mengurangi beban subsidi pemerintah dan sekaligus mendukung skenario energi bauran nasional tahun 2025 dengan rencana penggunaan gas hingga diatas angka 30 % dan mengurangi konsumsi minyak ke angka 26 %. Saat ini, jenis bahan bakar gas yang dapat diaplikasikan adalah Compression Natural Gas (CNG) dan Liquefied Petroleum Gas (LPG) atau dikenal dengan Liquefied Gas Vehicle (LGV). Perkembangan konversi bahan bakar minyak ke bahan bakar gas baik CNG maupun LPG di Indonesia hinggga tahun 2013 belum terlihat secara nyata. Infrastruktur utama seperti stasiun pengisian bahan bakar gas dan perangkat konversi yang belum mendukung merupakan kendala dalam pengembangan ini. Namun demikian, pemakaian LPG kemasan tabung dapat dijadikan sebagai solusi jangka pendek sambil menunggu pembangunan infrastruktur oleh pemerintah. Hal ini juga pernah dilakukan di Thailand pada awal program konversi walaupun dengan sedikit ketidaknyamanan (Samosir, 2011). LPG merupakan bahan bakar alternatif yang paling banyak digunakan dan diterima sebagai pengganti bahan bakar minyak di sektor transportasi. Sejumlah negara saat ini memiliki perkembangan yang signifikan. Konsumsi global dari LPG mencapai 22,9 juta ton pada tahun 2010, dan meningkat sangat cepat. Permintaan meningkat sebesar 8,5 Mt atau sekitar 59% antara tahun 2000 sampai dengan tahun Walaupun demikian, permintaan yang besar terkonsentrasi hanya pada beberapa negara, belum mewakili dari keseluruhan negara di setiap benua. Korea, Turki, Rusia dan Polandia menjadi peringkat teratas dalam konsumsi LPG sebagai bahan bakar kendaraan selama periode tahun 2000 sampai tahun 2010 (World Liquefied Petroleum Gas Association/ WLPGA, 2012). 1

12 2 LPG di banyak negara sebagai bahan bakar yang paling penting, karena efisiensi yang tinggi, harganya lebih murah dari bensin, dan ramah lingkungan. Kandungan racun dari LPG termasuk yang paling rendah dari semua bahan bakar otomotif tersedia secara komersial saat ini. Selain itu, efek gas rumah kaca dari LPG umumnya lebih rendah dibandingkan dari bensin, diesel dan beberapa bahan bakar alternatif. LPG memiliki beberapa keunggulan dari segi teknis dan ekonomis. Tekanan LPG dalam tangki antara 1,0 sampai 1,2 MPa, sedangkan CNG mencapai sekitar 20 MPa. Dari sisi besarnya tekanan dalam tangki dan faktor ketersediaan didaerah dalam kemasan tabung, LPG relatif lebih aman untuk dikembangkan sebagai bahan bakar alternatif kendaraan di Indonesia. Harga per unit massa yang relatif lebih rendah dari pada bensin, menjadikan LPG sangat cocok untuk diaplikasikan pada angkutan umum (Setiyo, 2012). Saat ini, ada lebih dari 17,4 juta kendaraan LPG digunakan dan menghiasi jalan jalan diseluruh dunia sebagai kendaraan yang lebih ramah lingkungan dengan lebih dari stasiun pengisian bahan bakar (WLPGA, 2012). Sementara di Indonesia, jumlah kendaraan lebih dari 85 juta unit yang meliputi kendaraan penumpang, bus, truk, dan sepeda motor ( 2012). Hampir seluruh jenis kendaraan tersebut menggunakan bahan bakar minyak. Dari jumlah total tersebut, lebih dari 8 juta unit merupakan kendaraan penumpang yang potensial untuk dikonversi ke bahan bakar LPG dengan sistem bifuel ataupun dengan sistem full dedicated. Dengan harga LPG ritel kemasan tabung berkisar Rp / kg dan LGV sebesar Rp / lsp, lebih murah daripada harga pertamax yang berkisar Rp / liter. Sebagai catatan, Kandungan energi LPG sebesar MJ/kg dan 26 MJ/l, sedangkan kandungan energi bensin sebesar 44.4 MJ/kg dan 34,8 MJ/l dengan nilai oktan LPG diatas 108 (ETSAP, 2010). Dari perspektif keamanan energi, LPG memiliki keunggulan dibandingkan bahan bakar konvensional. Cadangan LPG berlimpah dari berbagai sumber di seluruh dunia. Selain berasal dari cadangan minyak dan gas, fleksibilitas proses penyulingan yang modern menawarkan potensi besar untuk memperluas pasokan untuk memenuhi permintaan dari sektor transportasi. Pasokan LPG diperkirakan akan meningkat cepat dalam

13 3 beberapa tahun ke depan seiring dengan pertumbuhan produksi gas alam dan ekstraksi cairan terkait (WLPGA, 2012). Beberapa alasan diatas mempertegas perlunya pemerintah mempercepat eksekusi program kebijakan konversi ke LPG. Penelitian mengenai LPG sebagai bahan bakar kendaraan sudah banyak ditemukan. Penggunaan LPG kaitannya dengan performa mesin dilakukan oleh, Rohmat (2003), M.A. Ceviz (2006), Yew Heng Teoh (2011), dan Setiyo (2012). Penelitian yang berkaiatan dengan emisi gas buang dilakukan oleh Mockus (2006), Mandloi (2010), Tasik (2011), dan Shankar (2011). Sementara penelitian yang berkaiatan dengan penyesuaian komponen mesin mesin dilakuan oleh Dziubiński (2007), Bosch (2008), dan Lejda (2008). Dari penelitian tersebut, diperoleh bahwa performa mesin LPG dapat ditingkatkan dari tahun ke tahun melalui mekanisme optimasi dan hampir menyamai performa mesin bensin. Dari sisi emisi gas buang, LPG lebih rendah daripada bensin khususnya kandungan CO dan HC. Dari hasil penelusuran pustaka yang dilakukan, diperoleh generasi terbaru dari teknologi kendaraan LPG hampir setara dengan teknologi Electronic Fuel Injection (EFI). Namun demikian konsep ini lebih cocok diaplikasikan pada kendaraan produksi baru yang sudah mengakomodasi bahan bakar gas seperti yang dilakukan Ford dan General Motors yang memasarkan berbagai pilihan mobil LPG di Australia, seperti halnya Hyundai dan Kia di Korea Selatan. Jika model ini diaplikasikan pada kendaraan lama, kerugian muncul karena harus merusak sistem pemasukan untuk menempatkan injektor. Kenyataan yang berbeda terjadi di Indonesia, sebagian besar armada angkutan umum masih menggunakan mesin karburator. Teknologi EFI terbatas untuk armada taksi dan sebagian angkutan umum generasi baru. Padahal, converter kits impor produksi Korea, Itali, atau Turki sebenarnya didesain untuk mobil injeksi, sehingga jika diaplikasikan pada mobil karburator harus dilakukan penyesuaian pada beberapa komponen converter kits seperi mixer dan fuel selector. Hingga saat ini, penelitian lebih banyak berkaitan dengan optimasi penyetelan dan pemodelan berbagai bentuk aliran.

14 Permasalahan Secara garis besar permasalahan teknis pengembangan mobil LPG di Indonesia, khususnya penerapan pada angkutan pedesaan dan pegunungan, antara lain adalah sebagai berikut : 1. Topografi wilayah di Indonesia sangat beragam, mulai dataran hingga pengunungan dengan kondisi jalan yang juga beragam. 2. Sistem pemasukan gas LPG pada converter kits konvensional dikendalikan oleh tingkat kevakuman mesin. Angkutan umum khususnya di pedesaan dan pegunungan beroperasi dengan beban berat. Pada saat beban berat ( bukaan throtle valve besar dan putaran mesin rendah), kevakuman mesin berkurang sehingga suplai gas juga berkurang. Padahal pada kondisi ini butuh bahan bakar yang banyak. Dari permasalahan diatas, maka salah satu solusinya adalah pengembangan model mixer yang dapat mengatur aliran LPG dan udara ke mesin secara otomatis menyesuaikan dengan kebutuhan mesin dan kondisi kerja mesin Lingkup dan Batasan Penelitian Penelitian ini menggunakan metode eksperimen yang terdiri dari tiga tahapan, yaitu : 1. Tahap 1, pengembangan model mixer yang meliputi kegiatan desain dan pemilihan material. 2. Tahap 2, pembuatan prototiype pada berbagai ukuran dan pengujiannya pada kondisi simulasi dan kondisi nyata dengan berbagai tingkat variasi kekencangan pegas kurucut pengatur kevakuman. 3. Tahap 3, analisis hasil pengujian, pengolahan data dan optimasi.

15 BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Tinjauan Pustaka Karakteristik LPG sebagai bahan bakar kendaraan LPG diperoleh dari hidrokarbon yang dihasilkan selama penyulingan minyak mentah dan dari komponen gas alam. Komponen LPG didominasi propana (C 3 H 8 ) dan butana (C 4 H 10 ). LPG juga mengandung hidrokarbon ringan lain dalam jumlah kecil, misalnya etana (C 2 H 6 ) dan pentana (C 5 H 12 ) (Brevitt, 2002). Kandungan energi LPG sebesar MJ/kg dan 26 MJ/l, sedangkan kandungan energi bensin sebesar 44.4 MJ/kg dan 34,8 MJ/l. Dibandingkan dengan bensin, LPG memiliki kandungan energi per satuan massa relatif tinggi, tetapi kandungan energi per satuan volumenya rendah (IEA ETSAP, 2010). LPG memiliki nilai oktan 112 yang memungkinkan untuk diterapkan pada mesin dengan perbandingan kompresi yang lebih tinggi sehingga memberikan efisiensi thermal yang lebih tinggi pula. Dengan harga LPG per satuan volume yang lebih rendah dari harga bensin (non-subsidi), biaya operasional mesin LPG lebih rendah dan memiliki karakteristik ramah lingkungan. Oleh karena itu LPG menjadi alternatif energi yang populer sebagai pengganti bensin. LPG memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan bensin. Konsumsi bahan bakar LPG per satuan volume lebih rendah daripada bensin. Distribusi gas pada tiap-tiap silinder lebih merata sehingga percepatan mesin lebih baik dan putaran stasioner lebih halus. Ruang bakar lebih bersih sehingga umur mesin meningkat. Kandungan karbon LPG lebih rendah daripada bensin atau diesel sehingga menghasilkan CO 2 yang lebih rendah (R.R. Saraf, 2009). Dari beberapa keunggulan di atas, aplikasi LPG sebagai bahan bakar kendaraan memiliki beberapa kelemahan diantaranya bahwa mesin berbahan bakar LPG umumnya menghasilkan daya yang lebih rendah daripada mesin bensin, penurunan daya yang terjadi sekitar 5% -10% (Ceviz & Yuksel, 2005). Mesin LPG juga memerlukan penyesuaian saat pengapian, komponen sistem pengapian dan kualitas sistem pengapian (Bosch, 2010). 5

16 Vaporizer Salah satu komponen utama dari converter kits adalah vaporizer. Vaporizer terdiri dari dua bagian utama. Bagian pertama dinamakan regulator pengatur tekanan dan bagian kedua dinamakan dengan regulator pengatur aliran. Regulator tekanan disebut juga sebagai reducer, yang berfungsi untuk menurunkan tekanan LPG dari tabung menjadi tekanan output. Penurunan tekanan pada regulator mengakibatkan perubahan fasa LPG dari cair ke gas. Untuk membantu proses penguapan, air pendingin mesin dialirkan di sekeliling regulator. Regulator pengatur aliran berupa katup yang dikendalikan oleh kevakuman throtle body. Katup regulator digerakkan oleh lever. Lever berupa pengungkit dengan titik tumpu di tengah. Satu ujung dikaitkan dengan diafragma dan ujung yang lain ditahan oleh pegas. Jumlah gas yang mengalir dari regulator tekanan ke ruang diafragma dipengaruhi oleh kekuatan pegas lever dan kevakuman ruang diafragma. Pegas lever dapat diatur dengan memutar baut penyetel yang terdapat pada bagian luar vaporizer, kevakuman ruang diafragma tergantung dari kecepatan aliran udara pada throtle body. Vaporizer juga dilengkapi dengan katup solenoid dan katup akselerasi pada vaporizer. Solenoid dikendalikan oleh tegangan listrik dari sistem kelistrikan kendaraan. Katup aliran gas berfungsi untuk mengatur kapasitas aliran pada sisi output vaporizer. Katup akselerasi dapat diatur untuk mengurangi atau menambah luasan saluran output. Salah satu bentuk fisik vaporizer LPG yang dipakai dalam penelitian ini dapat dilihat pada gambar 1. Saluran input LPG Saluran output LPG Saluran air Penyetel pegas lever Solenoid Gambar 2-1 Bentuk Fisik Vaporizer (Sumber : Tesla Technologies)

17 Mixer Untuk memasukkan LPG ke saluran manifold, digunakan sebuah mixer yang dipasang pada sisi depan throtle body. Mixer memiliki beberapa lubang memanjang yang mengelilingi lingkaran dalam. LPG dalam fasa gas mengalir dari vaporizer ke mixer melalui katup aliran gas (katup akselerasi). Mixer memiliki dua fungsi utama yaitu : 1. Memberikan sinyal vakum Mixer memberikan sinyal kevakuman untuk vaporizer. Sinyal vakum harus merepresentasikan jumlah udara yang melewati venturi mixer. Untuk mencapai hal ini mixer harus dirancang secara teliti. Salah satu komponen yang paling penting adalah venturi. LPG dan udara keluar dari venturi harus memiliki sudut lebih kurang 8 derajat untuk mencapai rasio konstan LPG dengan udara. 2. Pencampuran LPG dan udara Untuk mendapatkan campuran yang cepat, LPG dan udara tidak hanya harus dalam proporsi yang tepat, tetapi juga dicampur dengan tepat. Para produsen mixer melakukan inovasi sampai menghasilkan desain terbaik untuk setiap mobil. Hasilnya, sebagian besar adalah bahwa mixer memberikan campuran yang tepat hanya pada beban parsial dan campuran kurus pada beban penuh (Osch, 2013). Deain mixer yang baik tidak hanya pada bentuknya, tetapi juga ukuran venturi. Semakin kecil diameter venturi, semakin tinggi sinyal vakum untuk vaporizer dan semakin akurat aliran LPG. Kerugiannya adalah efisiensi volumetik mesin akan menurun karena diameter kecil. Ini seperti seolah-olah mesin hanya dapat bekerja setengah throttle. Terutama mobil injeksi atau karburator kemungkinan besar akan mengalami kerugian daya hingga 20 %. Osch (2013), merekomendasikan ukuran venturi harus minimal 75 % dari ukuran venturi karburator atau throtle body ( jika mesin EFI ). Lebih spesifik, ukuran venturi harus berkisar 7.5mm 2 dan jika mungkin 10 mm 2 untuk setiap HP daya mesin. Beberapa model mixer disajikan dalam gambar 2 berikut.

18 8 Gambar 2-2. LPG mixer (Sumber : Mijo Autogas) Penyesuaian Busi dan Perangkat Pengapian Penyesuaian perangkat pengapian pada mesin berbahan bakar LPG meliputi tegangan coil pengapian, jenis busi (heat range value), dan celah elektroda busi. Tujuan dari penyesuaian ini adalah untuk memperoleh optimasi pembakaran Tinjauan Temperatur Ruang Bakar Pada mesin dengan bahan bakar bensin, bensin masuk ke ruang bakar dalam bentuk uap. Selain berfungsi sebagai bahan bakar, bensin berfungsi sebagai pendingin (evaporative cooling). Bensin membantu mendinginkan elektroda busi dan komponen ruang bakar yang lain seperti katup-katup dan dinding ruang bakar. Pada mesin berbahan bakar LPG, selama LPG dimasukkan sudah dalam bentuk gas, akan terjadi fenomena pembakaran kering dan tidak menghasilkan efek pendinginan dalam (inner cooling ). Hal ini menyebabkan ruang bakar dan elektroda busi menjadi lebih panas (Bosch, 2010) Tinjauan Tegangan Pengapian Pembakaran LPG menghasilkan temperatur dan tekanan yang lebih tinggi dari mesin bensin (untuk mesin yang sama). Pada penyetelan celah elektroda busi yang sama (10 mm), ini berarti mesin LPG membutuhkan

19 9 tegangan pengapian yang lebih besar untuk ioninasi (peletikan bunga api dari elektroda positif ke elektroda negatif) dibandingkan mesin bensin. Sebagai langkah penyesuaian, dengan tegangan pengapian yang tidak diubah, maka dilakukan penyesuaian celah elektroda busi dengan cara mengurangi celah busi untuk mempermudah ionisasi. Mengingat kecepatan pembakaran LPG lebih rendah daripada bensin, maka diperlukan penyesuaian saat penyalaan. Untuk mendapatkan MBT yang sama dengan mesin bensin, saat pengapian dimajukan beberapa derajat engkol. Grafik ilustrasi penyesuaian pengapian dapat dilihat pada gambar 3 Ignition voltage/ kv Ignition voltage requirement approx 14 kv Electrode gap 1.0 mm LPG PETROL Ignition timing/ 0 BTDC Gambar 2-3 Grafik penyesuaian pengapian pada mesin LPG (Sumber : Bosch, 2010) Penyesuaian nilai panas busi ( heat range ) Pembakaran dengan LPG menghasilkan deposit carbon dan pengotoran yang lebih sedikit daripada pembakaran bensin. Busi pada mesin LPG harus dapat mentransfer panas pembakaran ke cylinder head yang lebih baik, mengingat beban panas yang diterima lebih besar. Dengan alasan ini, mesin berbahan bakar LPG menggunakan busi dengan nilai panas yang lebih rendah. Penyesuaian jenis busi ini perlu dilakukan agar kinerja mesin pada temperatur tinggi tetap terjamin.

20 Penelitian Relevan Dziubinski, Walusiak, & Pietrzyk (2007), melakukan penelitian eksperimental tentang pengujian sistem pengapian pada mobil berbahan bakar LPG. Salah satu variabel yang diteliti adalah ketergantungan tegangan sekunder ignition coil pada variasi ukuran celah busi 0,8; 0,9; 1,0; 1,1 mm. Busi yang digunakan adalah NGK BPR6-ES11. Hasil dari penelitian ini menyebutkan tegangan sekunder ignition coil paling optimal terjadi pada celah elektroda busi 0,8 mm dan 1,1 mm. Kazimierz Lejda, Lejda, & Jaworski (2007), meneliti pengaruh tekanan injeksi LPG terhadap perubahan kontrol injeksi. Pada penelitian ini LPG diinjeksikan dalam fasa cair. Beberapa diantara hasil penelitiannya adalah sebagai berikut : 1. Peningkatan tekanan injeksi memperbesar volume injeksi LPG, meskipun terjadi pemendekan waktu injeksi oleh unit kontrol. 2. Peningkatan tekanan injeksi menghasilkan peningkatan volume bahan bakar dan menghasilkan peningkatan emisi CO dan HC pada gas buang. 3. Optimasi emisi beracun dan parameter yang bermanfaat dari mesin dengan campuran bahan bakar yang berbeda, bahan bakar LPG jauh lebih sulit daripada bahan bakar bensin. Saraf, Thipse, & Saxena (2009), melakukan penelitian tentang perbandingan emisi pada mesin berbahan bakar bensin dan LPG. Penelitian ini menunjukkan bahwa mesin LPG mengasilkan emisi yang lebih rendah dari mesin bensin, dengan rincian sebagai berikut.: CO menurun 30% untuk urban cycle dan 10 % untuk extra urban cycle, HC menurun 30% untuk urban cycle dan 51 % untuk extra urban cycle, CO 2 menurun 10% untuk urban cycle dan 11 % untuk extra urban cycle, dan NO x menurun 41 % untuk urban cycle dan 77 % untuk extra urban cycle. Penelitian serupa juga dilakukan oleh R.R. Saraf (2009) yang menunjukkan penurunan emisi pada mesin berbahan bakar LPG, meskipun dengan prosentase yang sedikit berbeda. Mockus (2006), melakukan analisis komposisi gas buang motor pembakaran dalam dengan bahan bakar LPG. Tujuan utama dari penelitian ini untuk mempelajari kerugian daya dan efek terhadap lingkungan. Metode

21 11 pengukuran daya dan emisi dilakukan langsung pada dinamometer dengan memasang dinamometer pada roda mobil secara langsung. Objek utama penelitian ini adalah mesin dengan LPG converter untuk daya maksimum dan mesin dengan LPG converter untuk minimasi emisi. Salah satu hasil studi ini adalah untuk mendapatkan penyetelan yang tepat perlu dibuat algoritma dengan beberapa hal perlu diasumsikan. Jika karakteristik mekanikal diinginkan tanpa mengorbankan ekologi, harus dirumuskan dengan ketat. Mandloi (2010), melakukan penelitian tentang pengaruh penggunaan LPG pada kendaraan terhadap prosses pembakaran. Hasil penelitian ini adalah aplikasi LPG pada mesin bensin mempercepat proses pembakaran, tetapi durasi pembakarannya melambat. Sebagai konskuensinya, tekanan dan temperatur pembakaran menjadi tinggi. Ini bisa berakibat kerusakan pada elemen mesin. LPG menurunkan efisiensi volumetrik, sehingga untuk mendapatkan daya yang tinggi diperlukan penambahan konsumsi bahan bakar spesifik. LPG menurunkan emisi CO dan NOx. Dalam kesimpulan akhir diperoleh bahwa pemanfaatan LPG memberikan efek negatif terhadap performa mesin, tetapi memberikan efek positif terhadap emisi gas buang.

22 BAB 3. TUJUAN DAN MANFAAT 3.1. Tujuan Tujuan yang ingin dicapai dari penelitian ini adalah : 1. Mengembangkan model mixer ( komponen untuk mencampur LPG dan udara pada mobil LPG) yang dinamis, dengan ukuran venturi yang dapat berubah secara otomatis menyesuaiakan kondisi kerja mesin berdasarkan tingkat kevakuman mesin, beban, dan putaran mesin. 2. Mengidentifikasi ukuran-ukuran komponen mixer yang menghasilkan performa mesin terbaik Manfaat Manfaat yang diperoleh jika tujuan penelitian tercapai adalah : 1. Dihasilkan produk siap pakai yaitu model mixer dinamis untuk kendaraan bahan bakar LPG sekaligus untuk substitusi mixer model fixed yang masih impor. 2. Pendayagunaan hasil penelitian untuk mempercepat program konversi BBM ke LPG untuk angkutan umum, sehingga biaya transportasi lebih murah dan lebih ramah lingkungan. 3. Meningkatkan jumlah Sumber Daya Manusia (SDM) ahli bahan bakar LPG. Dengan demikian akan terjadi pendayagunaan hasil penelitian menjadi produk siap pakai. 12

23 BAB 4. METODE Diagram alir (Flow chart) berikut menyajikan langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian. MULAI Service data: Ø throttle body, m Kevakuman mesin, Pa Tekanan LPG, Pa Kecepatan udara, m/s Desain dengan Auto Cad Tahap 1 Penyesuaian dimensi Pembuatan prototype dengan material percobaan Tidak Simulasi OK? Ya Memilih material yang sesuai Membuat Prototipe (Machining) Desain eksperimen Tahap 2 Penyetelan Uji prototipe pada dynamometer dan kondisi riil Tidak Prototipe OK? Ya Analisis dan pembahasan Model Mixer dinamis siap pakai Tahap 3 SELESAI Gambar 4-1 Flow Chart Penelitian 13

24 14 Berikut merupakan uraian kegiatan penelitian pada tahap pertama. Uraian kegiatan pada tahap kedua dan tahap ketiga akan diuraikan pada laporan perkembangan selanjutnya Kegiatan Penelitian Tahap Observasi Kegiatan observasi pada penelitian ini meliputi studi lapangan dan studi pustaka. Studi lapangan dilakukan langsung terhadap objek penelitian yang meliputi observasi data tentang dimensi throttle body, kevakuman manifold, dan lainnya, sedangkan studi pustaka dilakukan dengan penelusuran hasil hasil penelitian sebelumnya yang relevan dengan topik penelitian ini Mempersiapkan Kendaraan Uji, Peralatan, dan Bahan Persiapan yang dilakukan meliputi : 1. Melakukan standarisasi spesifikasi mesin melalui overhaul dan penggantian komponen. 2. Pemasangan converter kits dan komponen pendukungnya. 3. Menyiapkan peralatan untuk pengambilan data Alat dan bahan Alat dan bahan yang digunakan tersaji dalam tabel 4.1. berikut : Tabel 4-1 Alat dan bahan kegiatan penelitian tahap 1 No Alat dan bahan Jumlah Spesifikasi /merk 1 Kendaraan uji 2 unit Toyota 4A-FE 2 Vaporizer 3 unit 2 Stage/ Tesla 3 Hand tools 1 set 4 Engine scanner 1 set Car Doctor 5 LPG refill 4 unit Kemasan 12 kg 6 Gas Analizer 1 Unit QRO tech 7 Leak detector

25 Lay out Instalasi Gambar 4-2 Instalasi LPG 4.2. Kegiatan Penelitian Tahap 2 Penelitian tahap 2 meliputi kegiatan desain, pembuatan prototipe mixer dan dilanjutkan dengan pengujian prototipe mixer pada unit chassis dynamometer. Urian kegiatan penelitian pada tahap kedua adalah sebagai beikut Desain dan pembuatan prototipe Proses desain dikerjakan dengan perangkat Auto-CAD, sedangkan proses pembuatan prototipe dikerjakan secara machining dengan beberapa mesin untuk proses produksi, diantaranya mesin bubut, mesin milling, mesin drilling, dan peralatan tangan yang terkait Pengujian mixer Parameter yang diuji terkait dengan kinerja mixer yang dibuat adalah output torsi dan daya mesin. Pengujian torsi dan daya dilakukan pada unit chassis dynamometer HOFFMAN Dynatest pro 260 kw. Pengujian dilakukan dengan variasi jarak bebas pegas diafragma. Lay out pengujiannya disajikan dalam gambar 4.3 berikut.

26 16 Monitor dynamometer Roller dynamometer Gambar 4-3 Skema pengujian pada chassis dynamometer 4.3. Kegiatan Penelitian Tahap 3 Penelitian tahap 3 meliputi kegiatan pembahasan hasil pengujian, penyempurnaan prototype, dan penyelesaian dokumen intellectual right (publikasi dan patent).

27 Tahap 3 Tahap 2 Tahap 1 BAB 5. RENCANA CAPAIAN, HASIL DAN PEMBAHASAN 5.1. Rencana Capaian Hasil capaian pada serangkaian kegiatan penelitian ini disajikan dalam tabel berikut. Tabel 5-1 Rencana capaian penelitian No Target capaian Keterangan Kendaraan (mobil) yang akan dipakai dalam keadaan standar. Instalasi converter kits pada kendaraan, modifikasi beberapa komponen, dan mengintegrasikan komponen kelistrikan ke sistem control ECU mobil Gambar teknik/ disain mixer yang dikembangkan (desain 1) Pembuatan prototype dengan material percobaan (material lunak) Finalisasi desain mixer (evaluasi desain 1) Pembuatan prototipe mixer Uji torsi dan daya pada chassis dynamometer Penyempurnaan prototipe Penyelesaian dokumen publikasi dan paten Dilakukan overhaull mesin dan penggantian beberapa komponen. Proses instalasi berhasil dilakukan, sistem kelistrikan pada vaporizer berhasil diintegrasikan ke sistem control ECU mobil. Pada saat mobil beroperasi dengan LPG, injector bensin diputus secara otomatis. Gambar teknik/ disain mixer sudah jadi. Prototype dengan material percobaan (lunak) sedang dalam penyempurnaan dimensional. Mixer didesain dengan Auto-CAD, beberapa pertimbangan teknis diakomodasi dalam proses desain Prototipe mixer dibuat melalui proses machining Uji torsi dan daya dilakukan pada unit chassis dynamometer dengan variasi tingkat jarak bebas pegas yang dapat diatur. Penyempurnaan dilakukan pada geometri mixer untuk memudahkan assembly Publikasi 2 kali dalam prosiding, buku dalam penyelesaian, dan paten dalam proses pengajuan melalui Sentra HKI Universitas Muhammadiyah Magelang 17

28 Hasil dan Pembahasan Finalisasi desain mixer Pada penelitian ini terjadi perubahan desain mixer dari desain 1 (penelitian tahap 1) menjadi desain 2 (penelitian tahan 2), khususnya pada bagian kerucut (venturi variabel). Semula pemegang kerucut pada bagian bawah mixer dirubah kebagian atas mixer dengan pertimbangan efisiensi material dan kemudahan dalam proses penyetelan. Berikut disajikan perubahan desainnya. Gambar 5-1 Desain Mixer yang dikembangkan (desain 1) Gambar 5-2 Desain Mixer yang dikembangkan (desain 2, assembly)

29 19 Gambar 5-3 Desain Mixer yang dikembangkan (desain 2, parts) Gambar 5.6 diatas merupakan tampilan dari mixer variable yang dibuat. Komponen utamanya terdiri atas : 1. Bagian rumah mixer (16) yang berbentuk silindris dan pada bagian tersebut dipasang sebuah nepel inlet untuk gas (15); 2. Bagian kerucut pengatur kevakuman (13) yang mencakup bodi kerucut, pegas, poros sliding, dan pemegang kerucut; 3. Bagian rumah venturi (12) yang berbentuk silindris dan pada bagian tersebut terdapat lubang-lubang outlet gas. 4. Bagian pengunci (11) yang berfungsi untuk menahan posisi venturi dan kerucut pengatur kevakuman.

30 20 Ringkasan teknis yang merupakan keunggulan mixer yang dikembangkan ini antara lain : 1. Luasan venturi berubah secara otomatis tergantung pada kevakuman dan perilaku mesin. Saat stasioner luasan venturi kecil dan saat putaran tinggi luasannya akan bertambah besar sesuai dengan tingkat kevakumannya. 2. Pada saat beban berat (bukaan throttle valve besar dan putaran mesin rendah), kevakuman pada mixer menurun, kerucut akan memperkecil lubang venturi sehingga keakumannya akan naik. Kenaikan kevakuman ini akan menambah aliran LPG sehingga torsi mesin akan meningkat. 3. Tingkat kekencangan pegas kerucut dapat diatur dengan memutar baut penyetel dari sisi luar mixer tanpa harus melepas mixer dari mesin Pembuatan prototype Pembuatan prototype mixer dilakukan dengan kombinasi material lunak (plastik) untuk komponen venturi variable dan alumunium alloy untuk komponen housing. Material plastik dan alumunium ini dipilih dengan alasan mudah dalam proses machining. Berikut disajikan beberapa ilustrasi pembuatan prototype pada mesin bubut. Gambar 5-4 Proses pembuatan prototype

31 Pengujian prototype a. Proses pemasangan pada dynamometer Gambar 5-5 Pemasangan mixer variabel pada mesin Gambar 5-6 Pengujian performa pada chassis dynamometer b. Hasil uji Hasil pengujian prototype pada dynamometer disajikan dalam gambar berikut. Gambar 5-7 Hasil Uji pada chassis dynamometer

32 Pembahasan hasil uji Dari gambarv 5-7 dapat diperoleh informasi gejala yaitu bahwa daya mesin dengan mixer dinamis berada diatas daya dengan mixer standar sampai kecepatan mobil mencapai ±125 km/ 4250 rpm kemudian menghasilkan daya yang sama dengan mixer standar hingga kecepatan rpm. Namun demikian, setelah melewati titik tersebut, daya mesin dengan mixer dinamis turun drastis dibawah daya mesin dengan mixer standar. Dari analisa geometri mixer, diperoleh data sebagai berikut: 1. Pada rpm rendah sampai ±4000 rpm, luasan efektif venturi mixer dinamis dapat menyesuaikan dengan tingkat kevakuman mesin dan mampu mengontrol debil LPG dari vaporizer dengan baik. Kondisi ini menghasilkan daya yang lebih baik dari mixer standar yang rata rata menghasilkan campuran kurus pada saat akselerasi. 2. Bahwa luasan efektif venturi pada mixer dinamis pada kondisi bukaan maksimal memang lebih kecil dari mixer standar. Akibatnya pada putaran tinggi (diatas 4000 rpm), suplai udara yang masuk ke mesin menjasi lebih sedikit sehingga efisiensi volumetriknya turun.

33 BAB 6. KESIMPULAN DAN SARAN 6.1. Kesimpulan Pengujian prototype mixer dinamis/ variabel pada chassis dynamometer menunjukkan bahwa mixer yang dikembangkan menghasilkan torsi dan daya yang lebih tinggi dari pada mixer standar pada kecepatan mobil dibawah 150 rpm, namun demikian pada kecepatan diatas 150 km/jam torsi dan daya yang dihasilkan lebih rendah dari mixer standar. Tujuan dari pengembangan mixer dinamis/ variabel ini adalah untuk kendaraan umum berbahan bakar gas di pedesaan dan pegunungan yang beroperasi dengan kecepatan rendah, sehingga penurunan daya dan torsi pada kecepatan diatas 150 km/jam ini tidak menjadi kendala Saran Saran yang ingin disampaikan untuk penelitian lanjutan adalah perlunya simulasi pada berbagai tipe kendaraan untuk mendapatkan data yang beragam. 23

34 DAFTAR PUSTAKA Bosch. (2010). LPG Spark Plugs. Road Claiton Vic: Robert Bosch (Australia) Pty Ltd. Brevitt, B. (2002). Alternative Vehicle Fuels. Science And Environment Section. London: House Of Commons Lybrary. Ceviz, M., & Yuksel, F. (2005). Cyclic variations on LPG and gasoline-fuelled. Renewable Energy, Dziubinski, M., Walusiak, S., & Pietrzyk, W. (2007). Testing Of An Ignition System In A Car Run On Various Fuels. TEKA Kom. Mot. Energ. Roln, IEA ETSAP. (2010, April). Automotive LPG and Natural Gas Engines. Technology Brief T03. Kazimierz Lejda, A. J., Lejda, K., & Jaworski, A. (2007). Start of Liquid LPG Sequential Injection Influence on The Selected Useful and Ecological Parameters of SI Engine. TEKA Kom. Mot. Energ. Roln, Mandloi, R. (2010). Long Term Continuous Use Of Auto- LPG Causes Thermal Pitting In Automotive S. I. Engine Parts. International Journal of Engineering Science and Technology, 2(10), Mijo Autogas. (t.thn.). Dipetik Agustus 21, 2013, dari Mockus, S. (2006). Analysis Of Exhaust Gas Composition Of Internal Combustion Engines Using Liquefied Petroleum Gas. Journal Of Environmental Engineering And Landscape ManagemenT, Osch, H. V. (2013). Technique-LPG-Instalatie. Dipetik April 10, 2013, dari R.R. Saraf, S. a. (2009). Comparative Emission Analysis of. International Journal of Civil and Environmental Engineering, Rohmat, T. A., & Saptoadi, H. (2003). Pengaruh Waktu Penyalaan Terhadap Kinerja Spark-Ignition Engine Berbahan Bakar LPG. Media Teknik, Saraf, R., Thipse, S., & Saxena, P. (2009). Comparative Emission Analysis of Gasoline/LPG Automotive Bifuel Engine. International Journal of Civil and Environmental Engineering, Tesla Technologies. (t.thn.). Dipetik Agustus 20, 2013, dari WLPGA. (2012). Autogas Incentive Policies. 24

35 Lampiran 1. Foto kegiatan penelitian Foto1. Pembuatan prototipe Foto2. Pembuatan prototipe Foto 3. Pemasangan mixer pada mesin Foto 4. Pemasangan vaporizer pada mesin Foto 5. Pemasangan mobil pada dinamometer Foto 6. Pemasangan mobil pada dinamometer Foto 7. Setting ignition timing Foto 8. Pengambilan data pada dinamometer 25

36 Lampiran 2. Desain mixer yang dikembangkan 26

37 Lampiran 3. Desain mixer yang dikembangkan (lanjutan) 27

38 Lampiran 4. Desain mixer yang dikembangkan (lanjutan) 28

39 Lampiran 5. Log book penelitian 29

40 30

41 31

42 32

43 33

44 34

45 35

46 36

47 37

48 38

49 39

50 40

51 41