ANALISA PERFORMA MESIN DIESEL BERBAHAN BAKAR BATUBARA CAIR BERBASIS PADA SIMULASI

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: ( Print) 1 ANALISA PERFORMA MESIN DIESEL BERBAHAN BAKAR BATUBARA CAIR BERBASIS PADA SIMULASI Agus Budianto, Aguk Zuhdi M. Fathallah, Semin Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Indonesia August.boedianto19@yahoo.com, fathala-1@its.ac.id, semin@its.ac.id Abstrak Permasalahan dasar dalam pengoperasian mesin diesel diantaranya adalah ketersediaan dan biaya yang diperlukan untuk memenuhi konsumsi bahan bakar. Akhirakhir ini ketersedian bahan bakar minyak semakin menipis sehingga diperlukan adanya bahan bakar alternatif untuk mesin diesel. Salah satu alternatif yang direkomendasikan adalah batubara cair dengan beberapa alasan, diantaranya jumlahnya yang melimpah serta harga yang lebih murah. penelitian ini telah menganalisa performa mesin diesel berbahan bakar batubara cair. Hasil simulasi menunjukkan adanya penurunan performa mesin diesel diantaranya daya turun sebesar 3,17% pada 2800 dan torsi turun sebesar 2,86% pada Kata kunci : Batubara cair, mesin diesel, performa mesin I. LATAR BELAKANG Mesin diesel adalah mesin yang paling banyak digunakan di dunia maritim. Namun ada permasalahan pada penggunaan mesin diesel diantaranya dampaknya terhadap lingkungan, bahan bakar yang mulai menipis serta biaya yang dibutuhkan untuk memenuhi konsumsi bahan bakar. Akhirakhir ini berkembang pemikiran tentang penggunaan bahan bakar alternatif selain bahan bakar minyak untuk mesin diesel. Peningkatan konsumsi bahan bakar minyak (BBM) pada kehidupan sehari-hari akan sangat berpengaruh dengan jumlah cadangan minyak yang terdapat pada perut bumi baik yang sudah ataupun belum mengalami pemrosesan. Dengan sifatnya bahan bakar minyak (BBM) merupakan sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui maka cepat atau lambat akan habis. Dalam keadaaan seperti ini diperlukan sebuah alternatif lain yang dapat digunakan sebagai pengganti bahan bakar minyak salah satunya adalah bahan bakar batubara cair. Batubara sebagai salah satu sumber energi yang tersedia dalam jumlah yang cukup banyak. Batubara yang berasal dari sumber yang sama dengan minyak dan gas bumi berupa bahan organik yang tertimbun berjutaan tahun memiliki karakteristik yang hampir sama dengan minyak bumi. Pada motor pembakaran dalam, pembakaran terjadi di dalam ruang bakar yang terletak di dalam silinder dengan tujuan menghasilkan energi mekanik dari energi kimia yang terkandung di dalam bahan bakar. Motor diesel pada umumnya menggunakan bahan bakar cair yang diinjeksikan ke dalam ruang pembakaran atau bisa ke ruang bakar awal terlebih dahulu menggunakan pompa injeksi. Motor diesel biasa disebut dengan motor penyalaan kompresi (compression igniion engines), karena udara dengan penginjeksian bahan bakar, sehingga proses pembakaran dapat terjadi. (Taylor, 1990) Ada beberapa karakteristik performa yang digunakan sebagai parameter yakni torsi, konsumsi bahan bakar, Daya/Power,. Torsi berpengaruh pada jumlah bahan bakar yang diinjeksikan ke dalam ruang bakar. Tetapi ada batas torsi maksimum yang bisa dihasilkan yang dipengaruhi oleh kondisi buang, temperatur, dan beban dalam silinder. Sementara itu daya yang dihasilkan oleh motor diesel adalah gabungan dari torsi dan kecepatan motor diesel. (Duffy, 2013) Pada penelitian yang dianalisa adalah motor diesel 4 langkah. Prinsip kerja dari mesin diesel 4 langkah seperti berikut : a.langkah Hisap Langkah ini dimulai dengan gerakan piston dari TMA menuju TMB. Dari gerakan tersebut, udara masuk melalui intake valve dan kemudian bercampur dengan bahan bakar yang terhisap kedalam silinder. (Heywood,1988): b. Langkah Kompresi Langkah ini udara yang berada didalam silinder dimampatkan oleh piston yang bergerak dari titik mati bawah menuju titik mati bawah kemudian tertutupnya valve intake dan exhaust. Kemudian campuran bahan bakar dan udara di dalam silinder ditekan oleh silinder sampai TMA. (Heywood,1988): c. Langkah Kerja Langkah dimana intake valve dan exhaust valve tetap tertutup kemudian piston bergerak turun dari TMA ke TMB akibat meningkatnya tekanan dan temperatur yang tajam di dalam silinder karena pembakaran. Gerakan piston tersebut mendorong crank untuk berputar. (Heywood,1988): d. Langkah Buang Langkah pembuangan sisa pembakaran dalam silinder keluar dari silinder akibat gerakan piston dari TMB ke TMA, pada saat piston mencapai TMA, inlet valve membuka. Ketika piston turun, exhaust valve menutup kemudian mendorong

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: ( Print) 2 gas buang keluar dan siklusnya di ulangi lagi. (Heywood,1988): Barubara merupakan suatu mineral yang tersusun atas karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, sulfur, dan senyawa-senyawa mineral.. batubara digunakan sebagai sumber energi alternatif untuk menghasilkan listrik. Pada pembakaran batubara terutama pada batubara yang mengandung kadar sulfur yang tinggi menghasilkan polutan udara seperti sulfur oksida, yang dapat menyababkann terjadinya hujan asam. Karbon dioksida yang terbentuk pada saat pembakaran berdampak negatif pada lingkungan (Speight. J.G.2005) Batu bara dapat dibakar untuk membangkitkan uap atau dikarbonisasikan untuk membuat bahan bakar cair atau dihidrogenasikan untuk membuat metan. Gas sintetis atau bahan bakar berupa gas dapat diproduksi sebagai produk utama dengan jalan gasifikasi sempurna dari batu bara dengan oksigen dan uap atau udara dan uap (Elliott,1981). Sebagai alternatif untuk menggantikan energi minyak bumi, saat ini telah dikembangkan teknologi pencairan batu bara sebagai bahan bakar yang hampir setara dengan output minyak bumi. Pengembangan produksi bahan bakar sintetis berbasis batu bara pertama kali dilakukan di Jerman tahun 1900-an dengan menggunakan proses sintesis Fischer-Tropsch yang dikembangkan Franz Fisher dan Hans Tropsch. Banyak sekali cadangan batu bara di dunia yang pada umumnya tidak berkualitas baik, bahkan setengahnya merupakan batu bara dengan kualitas rendah, seperti: sub-bituminous coal dan brown coal. Kedua jenis batu bara tersebut lebih banyak didominasi oleh kandungan air yaitu dengan mengubah kualitas batu bara yang rendah menjadi produk yang berguna secara ekonomis dan dapat menghasilkan bahan bakar berkualitas serta ramah lingkungan. Dikembangkanlah proses pencairan batu bara dengan nama Brown Coal Liquefaction Technology (BCL). (Jauhary, 2007) Performa yang dihasilkan oleh mesin diesel pasti berbeda, tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan dan proses pembakarannya. Karakteristik geometris diantaranya terdiri dari rasio kompresi, rasio bore stroke, rasio panjang connecting rod terhadap radius crank, brake torque dan power, mean effective pressure, spesific fuel consumption. (Heywood, 1989) a) Karakteristik Geometrik Rasio kompresi adalah perbandingan antara volume silinder ditambah dengan volume ruang bakar pada saat piston di TMB dengan volume ruang bakar pada saat TMA maka dapat diperoleh persamaan sebagai berikut : (Heywood, 1989) = + (1) CR : rasio kompresi Vd : volume silinder Vc : volume ruang bakar atau volume ruang yang dibatasi oleh piston pada saat TMA dengan silinder head Rasio bore stroke adalah rasio diameter silinder terhadap langkah dari piston = (2) (Heywood, 1989) Sedangkan untuk rasio panjang connecting rod dengan crank adalah sebagai berikut : = 1 (3) (Heywood, 1989) B : bore L : stroke 1 : panjang connecting rod a : radius crank crank angle b) Brake torque Brake torque merupakan torsi yang diperoleh dari perkalian gaya dengan panjang lengan gaya dinamometer. Mesin menghasilkan torsi dan digunakan untuk menggerakkan crankshaft. Pada saat pembakaran di silinder mesin, udara menimbulkan tekanan pada piston. Kemudian Tenaga itu ditransmisikan dari piston melalui connecting rod menuju crankshaft. Torsi mesin biasanya diukur dengan dynamometer Torsi bisa dihitung dengan dinamometer. Sehingga diperoleh rumus sebagai berikut : Yang dirumuskan sebagai berikut : T = F x b (4) (Heywood, 1989) T : torsi (Nm) b : panjang lengan dinamometer (N) F : gaya yang ditunjukan dinamometer pada brake load (m) c) Brake Power Brake power adalah besarnya daya yang dihasilkan langsung dari putaran poros engkol yang dikeluarkan oleh mesin terhadap beban. Nilai brake power didapatkan dari hasil perkalian antara torsi dengan kecepatan mesin (). Sehingga besarnya power yang dihasilkan mesin berbanding lurus dengan torsi dan kecepatan dari mesin tersebut (Heywood,1989). Untuk perhitungan daya dapat menggunakan rumus di bawah ini: (5) (Heywood, 1989) T : torsi (Nm) N : kecepatan mesin (RPS) P : brake power B p (Watt) d) Mean effective pressure Mean effective pressure (MEP) adalah salah satu karakter perfoma dari motor yang diperoleh dari beberapa parameter, diantaranya kerja tiap siklus dan

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: ( Print) 3 volume displacement silinder tiap siklusnya. Persamaanya sebagai berikut : Mep = 4 4 tak (untuk mesin 4 tak)(6) (Heywood, 1989) e) Spesific fuel consumption dan efisiensi Spesific fuel consumption (SFC) atau konsumsi bahan bakar dihitung berdasarkan laju aliran masa fuel disetiap satuan waktu, atau biasa dilambangkan dengan mf dibagi dengan daya output dari motor. Persamaanya sebagai berikut : sfc = = (7) (Heywood, 1989) 2 II. METODOLOGI PENELITIAN Pada BAB III berisi tentang metodologi yang digunakan untuk menyelesaikan skripsi ini yang meliputi pengumpulan data, penentuan parameter simulasi, memasukan data dan pembuatan model mesin diesel berbahan bakar maupun batubara cair, running simulasi, validasi, analisa data dan pembahasan serta kesimpulan dan saran. Tabel II.1 spesifikasi mesin NO NAMA KETERANGAN 1 Merk Mercedes Benz 2 Model OM Operation Diesel 4 stroke 4 Daya 63 kw pada 2800 rpm 5 Jumlah silinder 4 6 Bore 97 mm 7 Stroke 128 mm 8 Total displacement 3780 cc 9 Kompresi rasio Kecepatan Mesin 2800 maksimal 11 Torsi 235 pada 1800 rpm Tabel II.2 Spesifikasi pertamina : NO NAMA KETERANGAN 1 Komposisi dari berat (%) karbon 2 Hidrogen Spesific gravity Densitas (kg/m 3 ) Titik didih ( 0 C) Titik beku ( 0 C) Nilai nyala ( 0 C) 73 8 Autoignition temperature ( 0 C) Specific heat (J/kg K) Carbon atom per molecule Hydrogen atom per molecule Oxygen atom per molecule 0 13 Nitrogen atom per molecule 0 2 Viskositas (cst) 2,65 3 Nilai kalori (kj/kg) 42,949 4 Nilai nyala ( 0 C) 90 5 Nilai didih ( 0 C) Carbon atom per molecule 32,5 7 Hydrogen atom per molecule 52,75 8 Oxygen atom per molecule 0 II.1 Menentukan Parameter Simulasi Pada tahap ini sebelumnya mesin dibongkar untuk kemudian diukur tiap komponen mesin diesel mulai dari sistem masukan sampai dengan sistem keluaran yang akan dijadikan sebagai parameter simulasi. II.2 Pembuatan Model Pada tahap ini semua model dibuat pada variasi kecepatan mesin dan pada keadaan beban penuh. Langkahlangkah pengerjaannya dapat dilihat (lampiran 1) II.5 Penggabungan Model dan Running Simulasi Pada tahap ini semua model yang sudah dibuat kemudian disatukan mulai dari sistem masukan sampai sistem keluaran kemudian dirunning. II. 6 Hasil Pada tahap ini akan didapatkan hasil dari running simulasi mesin diesel. II.7 Validasi Hasil Pada tahap ini hasil dari running simulasi mesin diesel akan dibandingan dengan spesifikasi mesin diesel (Tabel II.1). II.8 Hasil dan Pembahasan Pada tahap ini hasil dari running simulasi mesin diesel berbahan bakar akan di bandingkan dengan hasil dari running mesin diesel berbahan bakar batubara cair seperti : daya, torsi, brake spesific fuel consumption, brake spesific air consumption, brake mean effective pressure. II.9 Kesimpulan dan Saran Pada tahap ini dilakukan pengambilan kesimpulan dari hasil dan pembahasan yang merupakan jawaban dari permasalahan. III. ANALISA DATA III.1 Hasil Model simulasi mesin diesel berbahan bakar Model simulasi mesin diesel dibuat semirip mungkin dengan kondisi nyata sehingga hasil yang didapat juga mungkin mirip dengan kenyataannya. Tabel II.3 spesifikasi atubara cair : NO NAMA KETERANGAN 1 Densitas (kg/m 3 ) 852

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: ( Print) 4 Tabel III.2 performa mesin diesel pada kecepatan mesin 2800 Gambar III.1 pemodelan mesin diesel. Pada gambar diatas mesin diesel berbahan bakar (gambar III.1), terdiri dari bebrapa sistem diantaranya : a. Sistem masukan (udara masuk intrunner airfilter airfilter inpipe01 throttle inpipe02 intake mannifold manifold pipe intrunner inport intake manifold intake valve ) b. Silinder (injector cylinder engine ) c. Sistem keluaran ( exhaust valve exhport exhrunner expipe muffer exrunnerexit udara keluar ) III.2 Validasi Hasil simulasi mesin diesel Hasil simulasi disesuaikan dengan spesifikasi mesin dieseil (tabel II.1) Dari hasil simulasi yang didapat pada 2800 mampu menghasilkan daya sebesar 63,32 kw dan pada 1800 mampu menghasilkan torsi sebesar 235,11 Nm.. errornya sekitar 0,1 0,3 % jadi hasil simulasi mesin diesel sudah valid dan benar. (tabel II.1 dan tabel III.2) Tabel III.1 performa mesin diesel pada kecepatan mesin 1800 Pada tahap ini dilakukan analisa perbandingan hasil dari runing pemodelan mesin diesel berbahan bakar dan mesin diesel berbahan bakar batubara cair. Berikut merupakan perbandingan hasil dan analisanya. Tabel III.3 Performa mesin diesel menggunakan bahan bakar. POWER TORQUE BSFC BSAC BMEP Tabel III.4 Performa mesin diesel menggunakan bahan bakar batubara cair. POWER TORQUE BSFC BSAC BMEP

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: ( Print) 5 Daya (kw) DAYA (kw) Grafik IV.11 Perbandingan daya terhadap. Pada grafik di atas menunjukan bahwa perfoma daya mesin diesel dengan bahan bakar batubara cair lebih rendah jika dibandingkan dengan daya mesin diesel berbahan bakar. Nilai maksimal mesin diesel berbahan bakar 63,32 kw pada kondisi kecepatan putaran 2800, sedangkan pada mesin diesel berbahan bakar batubara cair nilai maksimalnya 61,31 kw pada kondisi kecepatan putaran Jadi penggunaan bahan bakar batubara cair akan mengurangi daya mesin sebesar kisaran 3,17 %. Torsi (Nm) 240 TORSI (Nm) Grafik IV. 12 Perbandingan torsi terhadap. batubar Pada grafik di atas menunjukan bahwa perfoma torsi mesin diesel dengan bahan bakar batubara cair lebih rendah jika dibandingkan dengan torsi mesin diesel berbahan bakar. Nilai maksimal mesin diesel berbahan bakar menghasilkan torsi sebesar 235,11 Nm pada kecepatan putaran 1800 sedangkan pada mesin diesel berbahan bakar batubara cair sebesar 228,37 Nm pada kecepatan putaran Jadi penggunaan bahan bakar batubara cair akan mengurangi torsi mesin sebesar kisaran 2,86 %. Brake Mean Effective Pressure (bar) BRAKE MEAN EFFECTIVE PRESSURE (bar) Grafik IV.13 Perbandingan Brake Mean Effective Pressure terhadap. Pada grafik di atas menunjukan bahwa perfoma brake mean effective pressure mesin diesel dengan bahan bakar batubara cair lebih rendah jika dibandingankan dengna brake mean effective pressure mesin diesel berbahan bakar. Nilai maksimal mesin diesel berbahan bakar sebesar 7,8 bar pada kondisi kecepatan putaran sedangkan mesin diesel berbahan bakar batubara cair sebesar 7,58 bar pada kondisi kecepatan putaran Jadi penggunaan bahan bakar batubara cair akan mengurangi brake mean effective pressure sebesar kisaran 2,82%. Brake Spesific Fuel Consumption (g/kwh) BRAKE SPESIFIC FUEL CONSUMPTION (g/kwh) batubara batubara Grafik IV.14 Perbandingan Brake Spesific Fuel Consumption terhadap. Pada grafik di atas menunjukan bahwa perfoma brake spesific fuel consumption mesin diesel dengan bahan bakar batubara cair lebih tinggi jika dibandingkan dengan brake spesific fuel consumption mesin diesel berbahan bakar. Nilai minimal mesin diesel berbahan bakar sebesar 211,4 g/kwh pada kondisi kecepatan putaran 1800 sedangkan pada mesin berbahan bakar batubara cair sebesar 218,66 g/kwh pada kondisi kecepatan Jadi penggunaan bahan bakar batubara cair akan menambah brake spesific fuel consumption sebesar kisaran 2,94 %.

6 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: ( Print) 6 Brake Spesific Air Consumption (g/kwh) BRAKE SPESIFIC AIR CONSUMPTION (g/kwh) batubara Grafik IV.15 Brake Spesific Air Consumption terhadap. Pada grafik di atas menunjukan bahwa perfoma brake spesific air consumption mesin diesel dengan bahan bakar batubara cair lebih tinggi jika dibandingkan dengan brake spesific air consumption mesin diesel berbahan bakar. Nilai minimal mesin diesel berbahan bakar sebesar 4109,65 g/kwh pada kondisi kecepatan putaran 1800, sedangkan mesin diesel berbahan bakar batubara cair sebesar 4240,55 g/kwh pada kondisi kecepatan putaran Jadi penggunaan bahan bakar batubara cair akan menambah brake spesific air consumption sebesar kisaran 3,18 %. IV. KESIMPULAN Berdasarkan hasil analisa yang telah dilakukan dapat diperoleh kesimpulan, yaitu : a) Penggunaan bahan bakar mempunyai daya tertinggi sebesar 63,11 kw pada putaran mesin 2800, memiliki torsi dan BMEP tertinggi sebesar 235,11 Nm dan 7,8 bar, serta memiliki BSFC dab BSAC terendah sebesar 212,4 g/kwh dan 4109,65 g/kwh pada putaran mesin b) Penggunaan bahan bakar batubara cair mempunyai dayatertinggi sebesar 61,31 kw pada putaran mesin 2800, memiliki torsi dan BMEP tertinggi sebesar 228,37 Nm dan 7,58 bar, serta memiliki BSFC dab BSAC terendah sebesar 218,66 g/kwh dan 41240,55 g/kwh pada putaran mesin c) Penggunaan bahan bakar batubara cair akan mengurangi perfoma daya sebesar kisaran 3,17 %,torsi sebesar kisaran 2,86 %, dan brake mean effective pressure sebesar kisaran 2,82%, serta akan menambah brake spesific fuel consumption sebesar kisaran 2,94 % dan brake spesific air consumption sebesar kisaran 3,18 %.. Saran Adapun saran yang dapat diberikan adalah sebagai berikut : a) Perlu dilakukan kajian lebih lanjut lagi mengenai detail pemodeln simulasi mesin diesel ini agar dapat mempermudah analisa perfoma mesin dari permasalahan yang sudah ada maupun yang akan dilanjutkan. b) Perlu dilakukan pengembangan lebih lanjut dari pembahasan yang sudah ada mengenai emisi yang di hasilkan. DAFTAR PUSTAKA [1] Ardhana, Murbayu Kajian properties bahan bakar batu bara cair melalui campuran batu bara dan mdo (marine diesel oil) [2] Duffy. Modern Automotive Technology Fundamentals,Service, Diagnostics 1st English edition, Germany, [3] Elliot. Statistical Review of Worl Energy <URL: economics/statistical-review-of-world-energy html>. dikunjungi tanggal 8 Oktober [4] Heywood, J. Internal Combustion Engine Fundamentals. [5] McGraw Hill, [6] Jauhary, Muhamad Potensi Pengolahan Batu Bara Cair. Economic Review No.208 : 1-7. [7] Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral Selasa, 31 Mei. Sumber Daya Batu Bara Indonesia Capai 105MiliarTon.<URL: ra/44-batubara/4557-sumber-daya-batubara-indonesiacapai-105-miliar-ton.html>. Dikunjungi 15 November [8] Keputusan Direktorat Jendral Minyak dan Gas Bumi nomor 3675 K/24/DJM, 2006 [9] Lesmana, Faizal. Bahan Bakar Solar dan Pembakaran Motor Diesel, 2008 [10] Orianto, M; Ketut Buda Artana Diktat Permesinan Perkapalan I. Surabaya:Institut Teknologi Sepuluh Nopember. [11] Putranto, Wahono Eko Studi Eksperimen Karakteristik Bahan Bakar Batu Bara Cair sebagai Pengganti HFO dengan Menggunakan Batu Bara Peringkat Rendah melalui Proses Upgrading. Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Surabaya. [12] Semin; Abu Bakar, Rosli; Rahim Ismail Abdul. Investigation of Diesel Engine Performance Based on Simulation. Surabaya:Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Faculty of Mechanical Engineering, University Malaysia Pahang,Malaysia. [13] Speight. J.G. CMC Product for industry <URL: Dikunjungi tanggal 25 Desember [14] Taylor, D.A. Introduction to Marine Engineering, Elsevier Butterworth-Heinemann, Oxford, 1990.