KARAKTERISASI UNJUK KERJA MESIN DIAMOND TYPE Di 800 SISTEM INJEKSI BERTINGKAT BERBAHAN BAKAR BIODIESEL KEMIRI SUNAN DENGAN PERUBAHAN CAMSHAFT FUEL PUMP M.Mujib Saifulloh, Bambang Sudarmanta Lab. TPBB Jurusan Teknik Mesin FTI - ITS Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail : tpbb@me.its.ac.id Abstrak Kemiri Sunan (Reutealis trisperma Blanco) merupakan salah satu tanaman yang dapat dipakai sebagai sumber bahan bakar yang terbarukan. Sasaran dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh perubahan chamshaft bosch pump menggunakan bahan bakar biodiesel minyak Kemiri sunan dengan sistem injeksi bertingkat terhadap karakteristik semprotan, dan unjuk kerja. Penelitian ini menggunakan bahan bakar biodiesel minyak biji Kemiri Sunan dengan prosentase volumetric 100% (B100) dengan mengaplikasikan injektor solenoid pada mesin diesel empat langkah Diamond tipe Di 800. Pengujian ini dilakukan dengan injeksi bertingkat pada 75%-25%, dengan penggantian chamshaft bosch pump 1 kali pemompaan dan 2 kali pemompaan. Pengujian dilakukan di Laboratorium Teknik Pembakaran dan Bahan Bakar yang berada di Teknik Mesin FTI ITS Surabaya. Penelitian diawali dengan proses pembuatan biodiesel Minyak Kemiri Sunan dan pengujian propertis karakteristik biodiesel sebelum dilakukannya pengujian pada mesin diesel. Kemudian, dilakukan pengujian unjuk kerja pada putaran konstan (2000 rpm), pengambilan data pada pembebanan 200 Watt sampai 2.000 Watt dengan interval 200 Watt. Hasil terbaik yang didapatkan dari unjuk kerja dengan menggunakan sistem injeksi bertingkat 75%-25% pada daya efektif, torsi, bmep dan effisiensi yang dihasilkan modif 2 mengalami kenaikan rata-rata sebesar 6,71%, 6,71%, 6,71% dan 34,2% terhadap standar 1, sedangkan pada Sfc mengalami penurunan rata-rata 16,7%. Adapun hasil terbaik dari pengukuran temperatur pada exhaust dan oli adalah modif 2 mengalami penurunan rata-rata sebesar 3,7% dan 6,1%, sedangkan pada temperatur engine dan pendingin adalah standar 2 mengalami penurunan rata-rata sebesar 2,65%, 3,01% terhadap standar 1. Kata Kunci: Biodiesel, Unjuk kerja, camshaft, multi injeksi. PENDAHULUAN Pada saat ini sangat dibutuhkan energi alternatif atau yang biasa disebut dengan biofuel yang merupakan pengganti bahan bakar minyak yang cadangannya terus berkurang dan akan lebih baik bila lebih ramah lingkungan. Beberapa jenis tanaman ternyata telah terbukti dapat digunakan sebagai sumber energi, salah satunya dengan pembuatan biodiesel. Banyak penelitian mengenai pemanfaaatan bahan bakar biodiesel yang telah dilakukan, terutama sejak terjadinya krisis energi tahun 1970-an. Namun bahan bakar biodiesel yang kini ada masih memiliki kekurangan, beberapa kesimpulan dari banyak penelitian yang berkaitan dengan penggunaan bahan bakar biodiesel seperti yang terdapat pada The Biodiesel Handbook oleh Knothe Gerhard, et al [1] adalah sebagai berikut: Emisi gas buang nitrogen oksida (NO x ) umumnya meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi biodiesel dibandingkan bahan bakar solar. Partikulat, hidrokarbon (HC) dan karbon monoksida (CO) yang tidak terbakar umumnya menurun seiring dengan peningkatan konsentrasi biodiesel dibandingkan bahan bakar solar. Nilai Sfc (Specific Fuel Consumption) cenderung meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi biodiesel dibandingkan dengan bahan bakar solar. Untuk mengurangi emisi gas-gas polutan ini dan untuk menurunkan nilai Sfc, diperlukan suatu treatment pada mesin diesel. Treatment pada saat pembakaran terjadi salah satunya adalah pengontrolan semprotan pada injection nozzle. Pada kondisi standar, mesin diesel menggunakan sistem injeksi single dengan sekali semprotan bahan bakar dalam satu siklus kerja. Injeksi bahan bakar ini bisa dimodifikasi menjadi sistem injeksi bertingkat agar bisa mengurangi emisi gas buang terutama NO x dan akan menurunkan nilai Sfc. Dalam kondisi normal atmosfir, nitrogen adalah gas inert yang amat stabil yang tidak akan berikatan dengan unsur lain. Tetapi dalam kondisi suhu tinggi dan tekanan tinggi dalam ruang bakar, nitrogen akan memecah ikatannya dan berikatan dengan oksigen sehingga terbentuk gas NO x, sehingga untuk menguranginya injeksi bertingkat digunakan agar tekanan dan temperatur puncak tidak tinggi dan nilai Sfc
juga turun, namun hal ini akan berakibat pada turunnya daya dan performa pada mesin diesel. Suh, Hyun Kyu [2] melakukan eksperimen terhadap mesin diesel dengan rasio kompresi rendah menggunakan injeksi bertingkat. Pada eksperimen tersebut didapatkan data bahwa injeksi bertingkat menurunkan tekanan puncak pada proses pembakaran dan menurunkan rata rata kalor yang dilepas sehingga daya yang didapat turun namun efektif dalam proses menurunkan emisi. Nehmer dan Reitz [3] juga melakukan eksperimen untuk mencari efek dari sistem injeksi bertingkat terhadap emisi soot dan NOx menggunakan mesin diesel Caterpillar silinder tunggal. Mereka memvariasikan jumlah total bahan bakar pada injeksi tahap pertama dari 10 persen sampai 75 persen dari jumlah total bahan bakar yang diinjeksikan. Mereka menemukan bahwa terjadi pengurangan emisi NOx dan soot. Pada penelitian ini akan dilakukan eksperimen terhadap mesin diesel silinder tunggal dengan sistem multi injeksi yang dapat dirubah dengan menggunakan ECU. Pada penelitian ini akan membandingkan chamshaft bosch pump 1 kali pemompaan dan 2 kali pemompaan menggunakan penambahan common rail sebagai penampung tekanan bahan bakar untuk menghindari kehilangan tekanan pada saat penyemprotan kedua, serta menggunakan biodiesel minyak Kemiri Sunan sebagai bahan bakar sehingga dapat diketahui bagaimana efeknya terhadap daya yang dihasilkan dan nilai Sfc. METODE PENELITIAN Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh perubahan chamshaft fuel pump dengan standar 1 yaitu camshaft standar berbahan bakar solar, standar 2 yaitu camshaft standar berbahan bakar biodiesel, modif 1 yaitu camshaft modif 1 berbahan bakar biodiesel dan modif 2 yaitu camshaft modif 2 berbahan bakar biodiesel dengan sistem injeksi bertingkat terhadap karakteristik semprotan, dan unjuk kerja pada kondisi dan beban yang sama pada mesin diesel Diamond tipe Di 800 1 silinder 4 langkah volume langkah 411 cm 3 dan rasio kompresi 18 : 1. Engine dihubungkan dengan generator yang dilengkapi dengan pembacaan arus dan tegangan. Metode yang akan digunakan dalam pengujian adalah dengan menggunakan pengujian kecepatan konstan (constant speed test). Pengujian dilakukan dengan menaikkan putaran mesin hingga mesin mencapai putaran optimum kemudian generator dinyalakan dan diberikan pembebanan lampu. Kemudian diukur tegangan dan arus output dari generator kemudian mengukur waktu konsumsi 25ml bahan bakar dan mengukur temperatur gas buang, temperatur engine, temperatur oli pelumas, dan temperatur radiator Gambar.1 menunjukkan skema engine dan peralatan. Gambar 1. Skema Engine dan Alat Ukur Prosedur untuk pengujian adalah pertama dilakukan pemasangan standar 1, pengecekan pada komponen engine dan juga alat ukurnya. Setelah itu mesin dihidupkan pada putaran idle (+ 800 rpm) selama 5 menit. Kemudian putaran engine dinaikkan hingga putaran 2000 rpm dengan pola semprotan 75%-25%, kemudian beban dari generator diatur dengan menyalakan lampu sebesar 200 Watt sampai dengan 2000 Watt dengan kelipatan 200 Watt. Pada setiap perubahan pembebanan lampu dilakukan pencatatan data sebagai berikut : Tegangan. Arus. Waktu konsumsi bahan bakar setiap 25 ml. Temperatur oli, gas buang, engine, dan pendingin. Tekanan pada pipa saluran injektor Selanjutnya dilakukan pengujian ulang dengan penggantian standar 2, modif 1 dan modif 2. Setelah semua variasi camshaft dan bahan bakar mulai standar 1, standar 2, modif 1 dan modif 2 selesai diuji, putaran engine diturunkan perlahan. Kemudian engine dimatikan, ECU dan semua alat ukur elektronik dimatikan. Adapun sket dari bentuk camshaft standar dan modif serta tekanan yang di hasilkan pada injektor bisa dilihat pada gambar di bawah ini : Gambar 2. Sket camshaft standar
Gambar 3. Sket camshaft modif 1 dan 2 2) Torsi Gambar 5. Grafik daya terhadap beban Gambar 4. Ilustrasi tekanan pada injektor ANALISA UNJUK KERJA Dari percobaan didapatkan data dan kemudian diolah sehingga didapatkan grafik unjuk kerja dan temperatur. 1) Daya Efektif (Ne) Dari gambar dibawah terlihat bahwa semakin besar penambahan beban, maka daya yang dihasilkan akan semakin besar. Untuk mengatasi beban yang semakin besar dan membuat putaran motor konstan, maka bahan bakar yang diinjeksikan semakin banyak, sehingga pembakaran yang terjadi lebih besar. Pada modif 2 memiliki nilai daya yang lebih besar di bandingkan dengan standar 1, standar 2 dan modif 1. Hal ini dapat terjadi karena pada putaran pertama modif 1 dengan pola penyemprotan 75%-25% mempunyai puncak yang sama, Pada saat pemompaan pertama bahan bakar habis disemprotkan sedangkan pemompaan kedua, tekanan yang di hasilkan lebih besar dari pada tekanan pertama sehingga bahan bakar yang di semprotkan semakin besar. Akibatnya pembakarannya kurang sempurna di ruang bakar. Pada dasarnya jika tekanan semakin besar semakin baik karena droplet yang disemprotkan semakin halus dan atomisasi semakin baik, tetapi dengan penambahan bahan bakar yang berlebihan menyebabkan penurunan daya Gambar 6. Grafik Torsi terhadap beban. Berdasarkan gambar dibawah, terlihat bahwa nilai torsi naik seiring dengan bertambahnya beban. Hal ini disebabkan dengan penambahan beban maka terjadi penambahan konsumsi bahan bakar pada engine. Penambahan bahan bakar tersebut dimaksudkan untuk mengatasi beban dan menjaga putaran engine tetap konstan, sehingga pembakaran yang terjadi lebih besar. Energi kalor bahan bakar yang diubah menjadi energi mekanik juga bertambah besar, yang merupakan representasi gaya dorong pada piston. Bila gaya dorong pada piston besar, maka torsi juga akan besar. Gambar diatas menunjukan modif 2 mempunyai torsi yang lebih besar dari pada standar 1, standar 2 dan modif 1. Penyebab rendahnya nilai torsi karena seiring bertambahnya beban di butuhkan bahan bakar yang besar pula, tetapi pada modif 1 bahan bakar yang disemprotkan melebihi kebutuhan engine. Sehingga bahan bakar di ruang bakar terlalu kaya, menyebabkan sebagian bahan bakar tidak berikatan dengan oksigen dan terjadi unburner.
3) Tekanan Efektif Rata-rata (BMEP) Gambar 7. Grafik bmep terhadap beban. Dari gambar diatas terlihat bahwa besar bmep naik seiring dengan penambahan beban, hal ini disebabkan injeksi bahan bakar kedalam ruang bakar yang semakin besar, sehingga pembakaran yang terjadi semakin besar, yang merupakan kompensasi untuk menjaga putaran engine konstan. Dibandingkan dengan modif 2, nilai bmep standar 1, standar 2 dan modif 1 cenderung lebih rendah. Hal ini bisa terjadi akibat perbedaan jumlah bahan bakar yang diinjeksikan pada modif 2 lebih baik dari standar 1, standar 2 dan modif 1. Selain itu, penurunan daya ini juga dapat diakibatkan jumlah bahan bakar pada modif 1 berlebihan sehingga sebagian bahan bakar tidak terbakar di ruang bakar. 4) Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC) Gambar 8. Grafik sfc terhadap beban. Gambar diatas menunjukkan bahwa dengan bertambahnya beban, pemakaian bahan bakar spesifik cenderung menurun. Penyebab fenomena tersebut adalah campuran bahan bakar dan udara yang terlalu miskin, sehingga untuk menghasilkan daya 1 Watt dalam 1 jam membutuhkan lebih banyak bahan bakar. Seiring dengan bertambahnya beban serta peningkatan daya, engine semakin efektif dalam mengkonsumsi bahan bakar. Pada modif 1 garis trenline lebih tinggi dari pada standar 1, standar 2 dan modif 2, tetapi seiring penambahan beban garis trenline cenderung berimpit. Hal itu disebabkan bahan bakar yang di injeksikan pada modif 1 lebih banyak tetapi tenaga yang di hasilkan tidak terpakai secara optimal 5) Efisiensi Thermal (ηth) Gambar dibawah menunjukkan terjadinya peningkatan efisiensi thermal dengan bertambahnya beban. Pada beban rendah, efisiensi thermal engine bernilai rendah, hal ini terjadi akibat campuran udara bahan bakar yang miskin sehingga pembakaran yang terjadi kurang baik, sehingga pemanfaatan energi bahan bakar yang belum optimal. Seiring dengan naiknya pembebanan, pemanfaatan energi yang semakin baik, sehingga proses pembakaran semakin optimal yang berdampak pada efisiensi thermal pada engine yang naik. Gambar 9. Grafik efisiensi terhadap beban Pada modif 2 memiliki efisiensi thermal yang lebih baik dari pada standar1, standar 2 dan modif 1. Hal ini disebabkan oleh nilai sfc yang diperoleh semakin rendah sehingga menyebabkan nilai efisiensi thermal akan semakin tinggi 6) Temperatur Exhaust (⁰C) Gambar dibawah menunjukkan seiring bertambahnya beban, temperatur gas buang cenderung naik. Kenaikan ini disebabkan dengan bertambahnya jumlah kebutuhan bahan bakar untuk meningkatkan daya yang bertujuan kompensasi dari kenaikan beban. Volume bahan bakar yang diinjeksikan ke dalam ruang bakar semakin banyak sehingga pembakaran yang terjadi akan semakin besar, sehingga temperatur gas buang ikut meningkat. Gambar 10.Grafik temperatur gas buang terhadap beban. Gambar diatas menunjukkan bahwa terjadi peningkatan temperatur exhaust pada modif 1 dari pada standar1, standar 2 dan modif 2. Hal itu disebabkan jumlah bahan bakar yang di
semprotkan lebih besar tetapi tidak terbakar semua di ruang bakar, sehingga dimungkinkan terjadi pembakaran di luar ruang bakar. 7) Temperatur Engine, Oli Pelumas dan Pedingin (⁰C) Tren grafik menunjukkan seiring bertambahnya beban, temperatur engine, oli dan pendingin cenderung naik pada modif 1. Hal ini dimungkinkan akibatkan peningkatan temperatur gas buang pada modif 1 terlalu tinggi mempengaruhi saluran gas buang yang menempel pada mesin sehingga beban pendinginan juga semakin besar yang mengakibatkan temperatur pada Engine, Oli pelumas dan Radiator juga mengalami peningkatan meskipun tidak signifikan Gambar 11.Grafik temperatur engine terhadap beban. Gambar 12.Grafik temperatur Oli Pelumas terhadap beban. Gambar 13.Grafik temperatur radiator terhadap beban. KESIMPULAN Dari hasil penelitian ini dan serangkaian pengujian yang dilakukan, dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : a) Dengan menggunakan modif 2 daya, torsi dan Bmep mengalami kenaikan rata-rata sebesar 6,71%, 6,71% dan 6,71% terhadap standar 1 dengan nilai 1.461,1 Watt, 43,8 Nm, 248,2 kpa. b) Nilai specific fuel consumption (sfc) dengan penggunaan modif 2 mengalami penurunan rata-rata sebesar 16,7% dibandingkan standar 1 dengan nilai 0,001 kg/watt.jam. c) Efisiensi termal mesin dengan penggunaan modif 2 mengalami kenaikan mengalami kenaikan ratarata sebesar 34,2% terhadap standar 1 dengan nilai 9%. d) Temperatur exhaust dan oli didapatkan hasil terbaik pada modif 2 dengan penurunan rata-rata sebesar 3,7% dan 6,1% bandingkan dengan penggunaan standar 1. e) Temperatur engine dan pendingin didapatkan hasil terbaik pada standar 2 dengan penurunan rata-rata sebesar 2,65% dan 3,01% bandingkan dengan penggunaan standar 1. Dari penelitian yang telah dilakukan, saran untuk penelitian selanjutnya adalah 1. Perlu adanya pengujian lebih lanjut pada modif 2 dengan memajukan sudut pemompaan dan pengurangan puncak ketinggian pada pemompaan kedua. DAFTAR PUSTAKA 1. Knothe, Gerhard (2004). The biodiesel Handbook. AOCS Press. Illinois 2. Suh, Hyun Kyu (2011). Investigations of multiple injection strategies for the improvement of combustion and exhaust emissions characteristics in a low compression ratio (CR) engine, Department of Mechanical Engineering, University of Connecticut, Storrs, CT 06269, USA 3. Nehmer, D. A., & Reitz, R. D., (1994), Measurement of the Effect of Injection Rate and Split Injections on Diesel Engine Soot and NOx Emissions, SAE Paper 940668. 4. Kawano, D. Sungkono (2011). Motor BakarTorak (Diesel). ITS Press. Surabaya 5. Han, Z., Uludogan, A., Hampson, G. J., & Reitz, R. D., (1996), Mechanism of Soot and NOx Emission Reduction
Using Multiple-Injection in a Diesel Engine, SAE Paper 960633. 6. Prasetyo, Jornalis Bambang (2012). Pengaruh Penambahan Biodiesel dari Minyak Biji Nyampplung pada Bahan Bakar Solar Terhadap Hasil Uji Unjuk Kerja Mesin Diesel Generator Set. surabaya : Institut Teknologi Sepuluh Nopember,FTI, jurusan Teknik Mesin. 7. Hardiyanto, Arief (2012). Karakterisasi Unjuk Kerja Mesin Diamond Type Di 800 Dengan Sistem Injeksi Bertingkat Menggunakan Biodiesel B-100. surabaya : Institut Teknologi Sepuluh Nopember,FTI, jurusan Teknik Mesin. Seminar Nasional Pascasarjana XI-ITS, Surabaya16 Agustus 2013