DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N 2016

Transkripsi

1 KAJIAN PERFORMANSI MESIN DIESEL STASIONER SATU SILINDER MENGGUNAKAN BLOWER YANG DIMODIFIKASI MENJADI SUPERCHARGER DENGAN SISTEM DUA BAHAN BAKAR (SOLAR DAN BIOGAS) SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Oleh : Muhammad Rizki Agustama ( ) DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N

2 ABSTRAK Semakin bertambahnya populasi manusia di bumi dan semakin menipisnya sumber daya minyak menjadi sekian dari banyak hal yang mendorong kita untuk melakukan penelitian dan pengembangan terhadap sumber energi terbarukan (renewable energy), salah satunya yang memiliki potensi besar adalah penggunaan biogas yang digunakan sebagai bahan bakar motor bakar dengan sistem dua bahan bakar. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisa performansi mesin diesel R 175 AN dengan supercharger menggunakan sistem dua bahan bakar (solar dan biogas) dimana aliran biogas yang masuk ke ruang bakar akan diatur ( aliran 2, 4, 6 l/min). Selain itu, penelitian ini juga akan menganalisa nilai ekonomis setelah menggunakan sistem dua bahan bakar (solar dan biogas), serta emisi gas buang dari hasil pembakaran. Daya maksimum mesin terjadi pada penggunaan bahan bakar solar + 6 l/min biogas pada putaran 1500 rpm dan pembebanan 2500 Watt yaitu sebesar 1536,99 Watt, torsi maksimum pada pembebanan 2500 Watt putaran 1500 rpm menggunakan bahan bakar solar + 6 l/min biogas sebesar 9,79 Nm. Nilai SFC maksimum pada bahan bakar solar + 6 l/min beban 500 Watt putaran 1000 rpm yaitu sebesar 2508,48 gr/kw.jam. Efisiensi thermal brake maksimum pada penggunaan bahan bakar solar pembebanan 1000 Watt putaran 1500 rpm yaitu sebesar 18,73 %. Nilai AFR maksimum pada bahan bakar solar pembebanan 500 Watt putaran 1000 rpm yaitu sebesar 68,75. Tekanan efektif rata-rata maksimum pada penggunaan bahan bakar solar + biogas 6 l/min pada putaran 1500 rpm yahitu sebesar 348,08 kpa. Untuk nilai ekonomis maksimum pada bahan bakar solar + biogas 6 l/min pada putaran 1000 rpm yaitu menghemat sebesar 62,29 % jika dibanding dengan penggunaan bahan bakar solar. Untuk emisi gas buang, nilai opacity rata rata mengalami penurunan setelah menggunakan sistem dua bahan bakar (solar dan biogas). Kadar HC dan CO mengalami peningkatan setelah menggunakan sistem dua bahan bakar. Kata kunci : Biogas, Performansi, Supercharger, Emisi, sistem dua bahan bakar. i

3 ABSTRACT The increasing human population on earth and the depletion of oil resources into a few thousandths of a lot of things that encourage us to do research and development on renewable energy sources, one of which has a great potential is the use of biogas is used as fuel for internal combustion engine with dual fuel system. This study aims to analyze the performance of the diesel engine R 175 AN using supercharger with dual fuel systems diesel and biogas in which biogas flow entering the combustion chamber will be set (flow 2, 4, 6 l/s). In addition, this study will also analyze economic value after use dual fuel systems diesel and biogas, and the exhaust emissions from the combustion too. Engine maximum power with rotation 1500 and load 2500 watt occurs in the use of diesel fuel + 6 l / min biogas which amounted to 1536,99 Watt, maximum torque at 2500 Watt load and rotation 1500 rpm using diesel fuel + 6 l / min biogas amounted to 9,79 Nm. SFC maximum value on diesel fuel + 6 l/min biogas load of 500 Watt and 1000 rpm rotation that is equal to 2508,48 gr / kwh. Maximum brake thermal efficiency in the use of diesel fuel with load 1500 Watt and 1200 rpm rotation that is equal to 18,73%. AFR maximum value on diesel fuel + 6 l / min biogas with load 500 Watt and 1000 rpm rotation that is equal to 68,75. For brake mean effective pressure maximum value on diesel fuel + 6 l/min biogas with load 2500 watt and 1500 rpm rotation that is equal to 348,08 kpa. For economic value maximum value on diesel + biogas 6 l/min with load 500 watt and 1000 rpm rotation, economic value in terms of fuel savings increased to 62,29 % when compared with diesel fuel. For exhaust emissions, the average opacity value has decreased after using dual fuel systems diesel and biogas. HC and CO levels increased after using dual fuel systems. Key Words: Biogas, Performances, Supercharger, Emission, Dual Fuel System. ii

4 KATA PENGANTAR Alhamdulillah, Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat rahmat dan karunia-nya penulis dapat menyelesaikan seluruh proses penulisan skripsi ini dengan baik. Tidak lupa pula penulis ucapkan shalawat beriringkan salam kepada junjungan Nabi Besar Muhammad SAW, semoga mendapat syafaat-nya di hari akhir. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu KAJIAN PERFORMANSI MESIN DIESEL STASIONER SATU SILINDER MENGGUNAKAN BLOWER YANG DIMODIFIKASI SEBAGAI SUPERCHARGER DENGAN SISTEM DUA BAHAN BAKAR (DIESEL DAN BIOGAS) Selama penulisan skripsi ini, penulis juga banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu penulis juga mengucapkan terima kasih kepada: 1. Bapak Sudarianto dan Ibu hadiyati selaku kedua Orang tua penulis, Duwinda Khairunnisa selaku adik, Bapak Syamsir dan Bapak Syaiful Anwar selaku paman serta seluruh keluarga besar penulis yang selalu mendukung secara moril ataupun materil, serta terus mendoakan penulis sejak mulai kuliah hingga menyelesaikan tugas sarjana ini. 2. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST. MT selaku dosen pembimbing, yang bersedia meluangkan waktu dalam memberikan bimbingan serta masukan dalam penyelesaian tugas sarjana ini. 3. Bapak Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin USU yang memberikan kesempatan kepada penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini. 4. Seluruh Dosen dan Pegawai Departemen Teknik Mesin USU. 5. PT. Multimas Nabati Asahan beserta seluruh Staff dan Pegawai karena telah memberikan kesempatan penelitian dan pengambilan gas methan (biogas) sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini. iii

5 6. Bapak Ismail dan Ibu Yamini yang selalu mendukung, membantu serta memberikan doa kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini. 7. Andri Ismayantri,S.S yang selalu memberikan doa dan kasih sayang serta selalu membantu dan memberi dukungan dalam penyelesaian tugas sarjana dan perkuliahan ini. 8. Kawan-kawan satu tim skripsi Ramadhan Hutagaol, Teguh Iman Widodo, Imam Syaifullah yang saling memberi semangat satu sama lain meskipun kadang ada salah paham tapi tetap kompak terus hingga bisa menyelesaikan tugas sarjana ini. 9. Tarmizi Taher, Budi Ari S, Sakinah Rahmi, serta seluruh kawan kawan stambuk 2011 yang tidak bisa disebutkan satu-persatu yang selalu menemani dan memberikan masukan serta semangat kepada penulis. 10. Bang Irvan Aspidar, Abang-abang stambuk 2009, 2010 dan Semua adekadek di Teknik Mesin USU yang telah banyak memberikan doa serta semangat bagi penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini. Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurang sempurnaan dan kekeliruan dalam penulisan skripsi ini. Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima saran dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima kasih. Medan, September 2016 Penulis Muhammad Rizki Agustama NIM iv

6 DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR TABEL... xiii DAFTAR NOTASI... xv BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Tujuan Pengujian Batasan Masalah Manfaat Pengujian Metodologi Penelitian Sistemetika Penulisan... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Bahan Bakar Hidrokarbon Solar Karakteristik Solar Bahan Bakar Gas (BBG) Sejarah Biogas Defenisi Biogas Karakteristik Bahan Bakar Biogas Nilai Kalor Biogas Proses Pembuatan Biogas Kelebihan dan Kekurangan Biogas Sistem Dua Bahan Bakar (Dual Fuel System) Mesin Diesel Prinsip Kerja Mesin Diesel Performansi Mesin Diesel Tinjauan Nilai Ekonomis Blower v

7 2.6.1 Jenis- Jenis Blower Supercharger Generator Emisi Gas Buang Sumber Komposisi Kimia Bahan Penyusun Teori Pembakaran BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat Alat dan Bahan Alat Bahan Metode Pengumpulan data Metode Pengolahan data Pengamatan dan Tahap Pengujian Prosedur Perakitan Prosedur Pengujian Prestas Mesin Diesel dan Mesin Dual Fuel Diagram Alir Penelitian Prosedur Pengujian Emisi Gas Buang Set Up Alat BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN 4.1 Daya Daya yang dihasilkan menggunakan Bahan Bakar Solar Daya yang Dihasilkan menggunakan Bahan Bakar Solar + 2 l/min Biogas Daya yang Dihasilkan menggunakan Bahan Bakar Solar + 4 l/min Biogas Daya yang Dihasilkan menggunakan Bahan Bakar Solar + 6 l/min Biogas Torsi vi

8 4.2.1 Torsi yang Dihasilkan Menggunakan Bahan Bakar Solar Murni Torsi yang Dihasilkan Menggunakan Bahan Bakar Solar + 2 l/min Biogas Torsi yang Dihasilkan Menggunakan Bahan Bakar Solar + 4 l/min Biogas Torsi yang Dihasilkan Menggunakan Bahan Bakar Solar + 6 l/min Biogas Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC) Perhitungan SFC Menggunakan Bahan Bakar Solar Murni Perhitungan SFC Menggunakan Bahan Bakar Solar + 2 l/min Biogas Perhitungan SFC Menggunakan Bahan Bakar Solar + 4 l/min Biogas Perhitungan SFC Menggunakan Bahan Bakar Solar + 6 l/min Biogas Efisiensi Thermal Brake Efisiensi Thermal Brake Menggunakan Bahan Bakar Solar Efisiensi Thermal Brake Menggunakan Bahan Bakar Solar + 2 l/min Biogas Efisiensi Thermal Brake Menggunakan Bahan Bakar Solar + 4 l/min Biogas Efisiensi Thermal Brake Menggunakan Bahan Bakar Solar + 6 i/min Biogas Rasio Udara Bahan Bakar (AFR) Perhitungan AFR Menggunakan Bahan Bakar Solar Murni Perhitungan AFR Menggunakan Bahan Bakar Solar + 2 l/min Biogas Perhitungan AFR Menggunakan Bahan Bakar Solar + 4 l/min Biogas vii

9 4.5.4 Perhitungan AFR Menggunakan Bahan Bakar Solar + 6 l/min Biogas Brake Mean Effective Preasure Besarnya bmep pada bahan bakar solar Besarnya bmep pada bahan bakar solar + 2 l/min Biogas Besarnya bmep pada bahan bakar solar + 4 l/min Biogas Besarnya bmep pada bahan bakar solar + 6 l/min Biogas Tinjauan Nilai Ekonomis Tinjauan Nilai Ekonomis Menggunakan Bahan BakarSolar Murni Tinjauan Nilai Ekonomis Menggunakan Bahan Bakar Solar + 2 l/min Biogas Tinjauan Nilai Ekonomis Menggunakan Bahan Bakar Solar + 4 l/min Biogas Tinjauan Nilai Ekonomis Menggunakan Bahan Bakar Solar + 6 l/min Biogas Emisi Gas buang BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA... xvi LAMPIRAN... xviii viii

10 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Proses Penyulingan Minyak...6 Gambar 2.2 Proses Pembuatan Biogas Sederhana...15 Gambar 2.3 Mesin Dengan Sistem Dua Bahan Bakar...18 Gambar 2.4 Diagram T-S dan P-V Siklus Diesel...20 Gambar 2.5 Prinsip Kerja Mesin Diesel...20 Gambar 2.6 Skema Operasi Dynamometer...24 Gambar 2.7 Blower...27 Gambar 2.8 Prinsip kerja Supercharger...29 Gambar 2.9 Generator...30 Gambar 2.10 Standar Uji Emisi Gas Buang...31 Gambar 2.11 Proses Pembakaran Mesin Diesel...34 Gambar 3.1 Tiger Diesel Engine R175 AN...36 Gambar 3.2 Syncronous Generators Single Phase AC...37 Gambar 3.3 Blower Electric...37 Gambar 3.4 Engine Smoke meter dan Gas Analyzer...38 Gambar 3.5 Tachometer...39 Gambar 3.6 Buret...39 Gambar 3.7 Multi meter...40 Gambar 3.8 Tabung Penyimpanan Biogas...40 Gambar 3.9 Regulator Gas...40 Gambar 3.10 Stop watch...41 ix

11 Gambar 3.11 Manometer...41 Gambar 3.12 Flowmeter...42 Gambar 3.13 Selang Bertekanan...42 Gambar 3.14 Rangkaian Lampu...43 Gambar 3.15 Tools...43 Gambar 3.16 V-Belt dan Pulley...43 Gambar 3.17 Panel Listrik...44 Gambar 3.18 Kompresor...44 Gambar 3.19 Selenoid Valve...45 Gambar 3.20 Diagram Alir Pengujian Performansi Mesin Diesel...49 Gambar 3.21 Diagram Alir Pengujian Emisi Gas Buang...50 Gambar 3.22 Set Up Alat Pengujian...51 Gambar 3.23 Set Up Pengujian Performansi Mesin Diesel...52 Gambar 4.1 Grafik Daya vs RPM Tiap Bahan Bakar pada Beban 500 Watt...60 Gambar 4.2 Grafik Daya vs RPM Tiap Bahan Bakar pada Beban 1000 Watt...61 Gambar 4.3 Grafik Daya vs RPM Tiap Bahan Bakar pada Beban 1500 Watt...62 Gambar 4.4 Grafik Daya vs RPM Tiap Bahan Bakar pada Beban 2000 Watt...63 Gambar 4.5 Grafik Daya vs RPM Tiap Bahan Bakar pada Beban 2500 Watt...64 Gambar 4.6 Grafik Torsi vs RPM pada Beban 500 Watt...71 Gambar 4.7 Grafik Torsi vs RPM pada Beban 1000 Watt...72 Gambar 4.8 Grafik Torsi vs RPM pada Beban 1500 Watt...73 Gambar 4.9 Grafik Torsi vs RPM pada Beban 2000 Watt...74 x

12 Gambar 4.10 Grafik Torsi vs RPM pada Beban 2500 Watt...75 Gambar 4.11 Grafik SFC vs RPM pada Beban 500 Watt...84 Gambar 4.12 Grafik SFC vs RPM pada Beban 1000 Watt...85 Gambar 4.13 Grafik SFC vs RPM pada Beban 1500 Watt...86 Gambar 4.14 Grafik SFC vs RPM pada Beban 2000 Watt...87 Gambar 4.15 Grafik SFC vs RPM pada Beban 2500 Watt...88 Gambar 4.16 Grafik Efisiensi Thermal vs RPM pada Beban 500 Watt...96 Gambar 4.17 Grafik Efisiensi Thermal vs RPM pada Beban 1000 Watt...97 Gambar 4.18 Grafik Efisiensi Thermal vs RPM pada Beban 1500 Watt...98 Gambar 4.19 Grafik Efisiensi Thermal vs RPM pada Beban 2000 Watt...99 Gambar 4.20 Grafik Efisiensi Thermal vs RPM pada Beban 2500 Watt Gambar 4.21 Grafik AFR vs RPM pada Beban 500 Watt Gambar 4.22 Grafik AFR vs RPM pada Beban 1000 Watt Gambar 4.23 Grafik AFR vs RPM pada Beban1500 Watt Gambar 4.24 Grafik AFR vs RPM pada Beban 2000 Watt Gambar 4.25 Grafik AFR vs RPM pada Beban 2500 Watt Gambar 4.26 Grafik bmep vs Putaran pada pembebanan 500 Watt Gambar 4.27 Grafik bmep vs Putaran pada pembebanan 1000 Watt Gambar 4.28 Grafik bmep vs Putaran pada pembebanan 1500 Watt Gambar 4.29 Grafik bmep vs Putaran pada pembebanan 2000 Watt Gambar 4.30 Grafik bmep vs Putaran pada pembebanan 2500 Watt xi

13 Gambar 4.31 Grafik Nilai Ekonomis vs RPM pada Beban 500 Watt Gambar 4.32 Grafik Nilai Ekonomis vs RPM pada Beban 1000 Watt Gambar 4.33 Grafik Nilai Ekonomis vs RPM pada Beban 1500 Watt Gambar 4.34 Grafik Nilai Ekonomis vs RPM pada Beban 2000 Watt Gambar 4.35 Grafik Nilai Ekonomis vs RPM pada Beban 2500 Watt xii

14 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Spesifikasi Minyak Solar sesuai keputusan Dirjen Migas... 9 Tabel 2.2 Komposisi Kandungan Biogas Tabel 2.3 Sifat Fisik Biogas Tabel 2.4 Nilai lhv biogas tiap % CH 4 yang dikandungya Tabel 2.5 Rancangan Angggaran Pembangunan Biogas Tabel 4.1 Hasil Perhitungan Daya Untuk Bahan Bakar Solar Tabel 4.2 Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Daya Untuk Bahan Bakar Solar + 2 l/min Biogas Hasil Perhitungan Daya Untuk Bahan Bakar Solar + 4 l/min Biogas Tabel 4.4 Hasil Perhitungan DayaUntuk Bahan Bakar Solar + 6 l/min Biogas Tabel 4.5 Hasil Perhitungan Torsi Untuk Bahan Bakar Solar Tabel 4.6 Tabel 4.7 Tabel 4.8 Hasil Perhitungan Torsi Untuk Bahan Bakar Solar + 2 l/min Biogas Hasil Perhitungan Torsi Untuk Bahan Bakar Solar + 4 l/min Biogas Hasil Perhitungan Torsi Untuk Bahan Bakar Solar + 6 l/min Biogas Tabel 4.9 Perhitungan SFC Menggunakan Bahan Bakar Solar Tabel 4.10 Tabel 4.11 Tabel 4.12 Tabel 4.13 Perhitungan SFC Menggunakan Bahan Bakar Solar + 2 l/min Biogas Perhitungan SFC Menggunakan Bahan Bakar Solar + 4 l/min Biogas Perhitungan SFC Menggunakan Bahan Bakar Solar + 6 l/min Biogas Hasil Perhitungan Efisiensi Thermal Brake Menggunakan Bahan Bakar Solar xiii

15 Tabel 4.14 Tabel 4.15 Tabel 4.16 Hasil Perhitungan Efisiensi Thermal Brake Menggunakan Bahan Bakar Solar + 2 l/min Biogas Hasil Perhitungan Efisiensi Thermal Brake Menggunakan Bahan Bakar Solar + 4 l/min Biogas Hasil Perhitungan Efisiensi Thermal Brake Menggunakan Bahan Bakar Solar + 6 l/min Biogas Tabel 4.17 Hasil Perhitungan AFR untuk Bahan Bakar Solar Tabel 4.18 Hasil Perhitungan AFR untuk Bahan Bakar Solar + 2 l/min Biogas Tabel 4.19 Hasil Perhitungan AFR untuk Bahan Bakar Solar + 4 l/min Biogas Tabel 4.20 Hasil Perhitungan AFR untuk Bahan Bakar Solar + 6 l/min Biogas Tabel 4.21 Besarnya bmep pada bahan bakar solar Tabel 4.22 Besarnya bmep pada bahan bakar solar + 2 l/min Biogas Tabel 4.23 Besarnya bmep pada bahan bakar solar + 4 l/min Biogas Tabel 4.24 Besarnya bmep pada bahan bakar solar + 6 l/min Biogas Tabel 4.25 Hasil Perhitungan Nilai Ekonomis untuk Bahan Bakar Solar Tabel 4.26 Hasil Perhitungan Nilai Ekonomis untuk Bahan Bakar Solar + 2 l/min Biogas Tabel 4.27 Hasil Perhitungan Nilai Ekonomis untuk Bahan Bakar Solar + 4 l/min Biogas Tabel 4.28 Hasil Perhitungan Nilai Ekonomis untuk Bahan Bakar Solar +6 l/min Biogas Tabel 4.29 Perhitungan Emisi Gas Buang dengan Bahan Bakar Solar Tabel 4.30 Perhitungan Emisi Gas Buang dengan Bahan Bakar Solar + 2 l/min Biogas Tabel 4.31 Perhitungan Emisi Gas Buang dengan Bahan Bakar Solar + 4 l/min Biogas Tabel 4.32 Perhitungan Emisi Gas Buang dengan Bahan Bakar Solar + 6 l/min Biogas xiv

16 DAFTAR NOTASI SIMBOL KETERANGAN SATUAN P B Daya Keluaran Watt CV Nilai kalor kj/kg Laju aliran massa udara kg/s Laju aliranbahanbakar kg/jam n Putaran mesin rpm Effisiensi termal % Sfc Konsumsi bahan bakar spesifik g/kw.jam t Waktu pengujian yang ditentukan jam Ʈ Torsi keluaran mesin N.m massa jenis bahan bakar kg/m 3 V Tegangan listrik Volt I Arus Listrik Ampere v Volume bahan bakar ml d Diameter Silinder mm S Panjang Langkah mm r c Rasio Kompresi V d Volume Silinder m 3 V c Volume sisa di silinder m 3 AFR Rasio campuran bahan bakar dan udara xv