UJI PERFORMANSI MESIN OTTO SATU SILINDER DENGAN BAHAN BAKAR PREMIUM DAN PERTAMAX PLUS Rio Arinedo Sembiring 1, Himsar Ambarita 2. Email: rio_gurky@yahoo.com 1,2 Jurusan Teknik Mesin, Universitas Sumatera Utara, Jln. Almamater Kampus USU Medan 20155 Medan Indonesia Abstrak Pengujian secara langsung adalah cara paling efektif untuk mengetahui performa sebuah mesin, dalam hal ini mesin otto empat langkah berkapasitas 109,1 cc diuji menggunakan water brake dynamometer dengan variasi bahan bakar premium dan pertamax plus. Untuk kecepatan dan beban yang sama maka bahan bakar premium lebih effisien, dimana effisiensi termalnya dapat mencapai 37,27% dengan 1,92% angka ketidakpastian sedangkan emisi gas buang pertamax plus menghasilkan emisi yang lebih tinggi, untuk emisi karbon monoksida (CO) meningkat 13,51%, emisi karbon dioksida (CO 2 ) meningkat 13,73% dan oksigen (O 2 ) meningkat sebesar 0,68%. Kata kunci : Performansi, Mesin Otto, Premium dan Pertamax Plus 1. Pendahuluan bakar memegang peranan penting dalam motor bakar, nilai kalor yang terkandung didalamnya adalah nilai yang menyatakan jumlah energi panas maksimum yang dibebaskan oleh suatu bahan bakar melalui reaksi pembakaran sempurna persatuan massa atau volume bahan bakar tersebut. Dewasa ini banyak sekali masalah yang timbul diakibatkan oleh cadangan bahan bakar minyak yang terbatas dan harganya yang semakin melambung, oleh karena itu belakangan ini juga sangat marak dilakukan riset dan penelitian dan kegiatan kegiatan yang berhubungan dengan penghematan bahan bakar. Salah satu kegiatan yang mengundang banyak orang untuk melakukan penghematan adalah Shell Eco-marathon, dimana kegiatan ini merupakan reguler tahunan yang menantang tim mahasiswa dari seluruh dunia untuk merancang dan membangun kendaraan yang paling hemat energi untuk bersaing dengan kendaraan tim lain, dimana pemenangnya adalah kendaraan yang dapat bergerak dengan jarak terjauh dengan menggunakan bahan bakar atau energi paling sedikit. Penggunaan bahan bakar juga sangat variatif, pada kesempatan ini dalam perancangannya mesin MESIN USU memilih untuk menggunakan bahan bakar gasoline. Karena penggunaan bahan bakar gasoline yang umum di indonesia adalah premium yang bernilai RON 88 sedangkan pada kompetisi Shell Eco-marathon Asia adalah RON 95 dan di Indonesia lebih dikenal dengan nama pertamax plus. Dengan demikian perlu diadakannya pengujian performansi untuk membandingkan hasil dari kedua bahan bakar tersebut. 2. Landasan Teori Mesin otto adalah sebuah tipe mesin pembakaran dalam yang menggunakan nyala busi untuk proses pembakaran, dirancang untuk menggunakan bahan bakar gasoline atau yang sejenis. Gambar 1. Diagram P-v mesin otto 189
Siklus otto (ideal) pembakaran tersebut dimisalkan dengan pemasukan panas pada volume konstan. Mesin Otto empat langkah adalah mesin pembakaran dalam yang dalam satu siklus pembakaran terjadi empat langkah piston. Empat langkah tersebut meliputi, langkah hisap (pemasukan), kompresi, tenaga dan langkah buang yang secara keseluruhan memerlukan dua putaran poros engkol (crankshaft) per satu siklus pada mesin otto. Dalam langkah ini, mesin menghasilkan tenaga dimana gerak translasi piston diubah menjadi gerak rotasi oleh poros engkol dan selanjutnya akan menggerakkan kendaraan. Saat torak mencapai titik mati atas (TMA) pada saat langkah kompresi, busi memberikan loncatan bunga api pada campuran udara dan bahan bakar yang telah dikompresikan. Dengan adanya pembakaran, kekuatan dari tekanan gas pembakaran yang tinggi mendorong torak ke bawah. Usaha ini yang menjadi tenaga mesin. 4. Langkah Buang Dalam langkah ini, gas yang sudah terbakar, akan dibuang ke luar silinder. Katup buang membuka sedangkan katup hisap tertutup.waktu torak bergerak dari titik mati bawah (TMB) ke titik mati atas (TMA), mendorong gas bekas keluar dari silinder. Gambar 2. Mesin Otto 4 langkah 1. Langkah Hisap Dalam langkah ini, campuran bahan bakar dan udara di hisap ke dalam ruang bakar, Katup hisap membuka sedangkan katup buang tertutup. Waktu torak bergerak dari titik mati atas (TMA) ke titik mati bawah (TMB), menyebabkan ruang silinder menjadi vakum dan menyebabkan masuknya campuran udara dan bahan bakar ke dalam silinder yang disebabkan adanya tekanan udara luar 2. Langkah Kompresi Dalam langkah ini, campuran udara dan bahan bakar dikompresikan. Katup hisap dan katup buang tertutup. Waktu torak naik dari titik mati bawah (TMB) ke titik mati atas (TMA), campuran yang dihisap tadi dikompresikan. Akibatnya tekanan dan temperaturnya akan naik, sehingga akan mudah terbakar. Saat inilah percikan api dari busi terjadi. Poros engkol berputar satu kali ketika torak mencapai titk mati atas (TMA). Gambar 3. Siklus mesin Otto 4 langkah Performansi Motor Parameter mekanik yang termasuk dalam performansi adalah torsi, daya, perbandingan udara bahan bakar, konsumsi bahan bakar spesifik dan effisiensi dari pembakaran di dalam mesin. Daya didefinisikan sebagai usaha dari mesin per satuan waktu. =...(1) Dimana : =Daya poros (kw) N = Putaran mesin (rpm) τ = Torsi (Nm) 3. Langkah Usaha 190
Jurnal e-dinamis, Volume 3, No.3 Desember 2012 ISSN 2338-1035 Air-Fuel Ratio adalah parameter yang digunakan untuk mendeskripsikan rasio campuran udara dengan bahan bakar: = =...(2) =....(3) =...(4) = ( )...(5) =...(6) Dimana : = Massa udara (kg/siklus) = Laju aliran udara (kg/sec) = Massa bahan bakar (kg/siklus) = Laju aliran bahan bakar (kg/sec) = Jumlah silinder = Putaran mesin (rpm) = 2 (rev/sec) untuk 4 langkah = Tekanan udara masuk (kpa) = Volume langkah (m 3 ) = Volume sisa (m 3 ) = Konstanta gas ideal (kj/kg.k) = Temperatur udara masuk (K) = Rasio Kompresi Konsumsi bahan bakar spesifik didefinisikan dengan : = /...(7) Effisiensi terma adalah : = = =...(8) Dimana: =...(9) Untuk keadaan steady : =...(10) Dimana: = Nilai kalor dari bahan bakar (Kj/kg) = Effisiensi pembakaran = Effisiensi konversi bahan bakar 3. Metodologi Penelitian Waktu dan Tempat Penelitian Pengujian ini dilakukan mulai bulan Desember 2012 sampai dengan Januari 2013 dibeberapa tempat sebagai berikut: a. Pengujian kecepatan untuk mendapatkan putaran mesin dilakukan di Jl. Universitas, Universitas Sumatera Utara. b. Pengujian emisi gas buang kendaraan dilakukan di Balai Teknik Kesehatan Lingkungan Medan. c. Pengujian AFR dilakukan di bengkel SEBU, Medan. d. Pengujian torsi dilakukan di Laboratorium Teknik Mesin USU. Alat dan yang digunakan Adapun alat yang digunakan adalah: - Premium (RON 88) - Pertamax Plus (RON 95) - Speedometer analog honda Jangkauan ukur 0-160 km/jam - Tachometer digital merk shark Jangkauan ukur 0-9999 rpm ±1,91% - TeQuipment Water Brake Dynamometer Jangkauan ukur 0 20 Nm ±0.25% - Timbangan analog merk krisbow Jangkauan ukur 0 120 kg - Stargas 898 Ketelitian res 0,01 0,1. - AFR Meter merk Innovate dengan ketelitian ±0,59 - Tools Mesin MESIN USU produksi Honda 109,1 cc (standar) tahun pembuatan 2011. Metode Pengujian Prosedur pengujian yang dilakukan adalah sebagai berikut. 1. Mesin MESIN USU dibongkar dan dipasang kembali ke sepeda motor 2. Tachometer dipasang pada sepeda motor 3. Sepeda motor diuji dengan variasi bahan bakar, beban dan kecepatan (20, 30, 40, 50, 60 dan 70 km/jam) untuk mendapatkan data putaran mesin. 191
4. Pengujian emisi gas buang kendaraan sesuai dengan putaran mesin yang sudah didapatkan dari pengujian sebelumnya dengan variasi bahan bakar. 5. Pengujian perbandingan udara dan bahan bakar kendaraan sesuai dengan putaran mesin yang sudah didapatkan dari pengujian sebelumnya dengan variasi bahan bakar premium dan pertamax plus. 6. Mesin dibuka dan dipasang pada water brake dynamometer untuk melakukan pengujian torsi 7. Torsi diukur dengan variasi rpm yang sudah didapatkan dengan variasi bahan bakar premium dan pertamax plus. 4. Hasil Dan Pembahasan Berikut adalah data yang diperoleh dari hasil pengujian performansi mesin Otto satu silinder dengan menggunakan variasi bahan bakar premium dan pertamax plus. Tabel 1. Data hasil pengujian bahan bakar premium Tabel 3. Data hasil pengujian emisi gas buang bahan bakar premium Jenis N CO CO2 O2 Premium rpm %Vol %Vol %Vol 2203 0.65 0.85 19.26 2604 0.69 0.79 19.37 3419 0.81 0.78 19.21 4396 0.89 0.80 19.08 5322 0.85 0.89 19.04 6056 0.69 0.91 19.02 Tabel 4. Data hasil pengujian emisi gas buang bahan bakar pertamax plus Jenis N CO CO2 O2 Pertamax Plus rpm %Vol %Vol %Vol 2200 0.73 0.95 19.45 2567 0.79 0.94 19.52 3506 1.00 0.89 19.28 4400 1.03 0.94 19.24 5161 0.92 1.00 19.21 6085 0.81 1.11 19.08 Dari data pengujian yang telah diperoleh maka akan dilakukan pembahasan hasil sebagai berikut: Jenis N AFR Daya Sfc termal rpm Nm kw gr/kwh % 2203 6.43 20.83 1.48 233.44 35.83 2604 6.87 19.60 1.88 232.59 35.98 Premium 3419 7.67 15.67 2.75 260.37 32.11 4396 8.00 14.07 3.68 277.90 30.08 5322 8.33 13.23 4.64 283.52 29.48 6056 8.53 13.13 5.41 278.98 29.96 Tabel 2. Data hasil pengujian bahan bakar pertamax plus Jenis N AFR Daya Sfc termal Pertamax Plus rpm Nm kw gr/kwh % 2200 5.37 18.67 1.24 312.15 26.78 2567 5.53 17.77 1.49 318.26 26.28 3506 6.83 16.90 2.51 270.78 30.88 4400 7.20 14.10 3.32 308.00 27.14 5161 7.73 12.50 4.18 323.55 25.84 6085 8.10 12.07 5.17 319.91 26.13 Gambar 4. Grafik torsi vs putaran mesin besarnya torsi untuk masing-masing pengujian, untuk bahan bakar premium torsi terendah terjadi pada pembebanan pengemudi 60 kg dan 70 kg (2170 dan 2180 rpm) yaitu sebesar 6,4 Nm sedangkan torsi tertinggi terjadi pada pembebanan 70 kg (6029 rpm) yaitu sebesar 8,6 Nm. Untuk pertamax plus torsi terendah terjadi pada pembebanan 192
pengemudi 60 kg (2133 rpm) yaitu sebesar 5,3 Nm sedangkan torsi tertinggi terjadi pada pembebanan 70 kg (6097 rpm) yaitu sebesar 8,2 Nm. terjadi pada pembebanan pengemudi 60 kg (2133 rpm) yaitu sebesar 19 sedangkan AFR tertinggi terjadi pada pembebanan 90 kg (6159 rpm) yaitu sebesar 12. Gambar 5. Grafik daya vs putaran mesin besarnya daya untuk masing-masing perhitungan, untuk bahan bakar premium daya terendah terjadi pada pembebanan pengemudi 60 kg (2170 rpm) yaitu sebesar 1,45 kw sedangkan daya tertinggi terjadi pada pembebanan 90 kg (6187 rpm) yaitu sebesar 5,51 kw. Untuk pertamax plus daya terendah terjadi pada pembebanan pengemudi 60 kg (2133 rpm) yaitu sebesar 1,18 kw sedangkan daya tertinggi terjadi pada pembebanan 70 kg (6097 rpm) yaitu sebesar 5,24 kw. Gambar 7. Grafik SFC vs putaran mesin besarnya Specific Fuel Consumption (SFC) untuk masing-masing perhitungan, untuk bahan bakar premium SFC terendah terjadi pada pembebanan pengemudi 60 kg (2562 rpm) yaitu sebesar 224,28 gr/kwh sedangkan SFC tertinggi terjadi pada pembebanan 70 kg dan 90 kg (5371 rpm dan 5387 rpm) yaitu sebesar 285,36 gr/kwh. Untuk pertamax plus SFC terendah terjadi pada pembebanan pengemudi 60 kg dan 70 kg (3514 rpm dan 3515 rpm) yaitu sebesar 268,11 gr/kwh sedangkan SFC tertinggi terjadi pada pembebanan 60 kg (5005 rpm) yaitu sebesar 330,84 gr/kwh. Gambar 6. Grafik AFR vs putaran mesin besarnya AFR untuk masing-masing pengujian, untuk bahan bakar premium AFR terendah terjadi pada pembebanan pengemudi 60 kg (2170 rpm) yaitu sebesar 21,6 sedangkan AFR tertinggi terjadi pada pembebanan 70 kg dan 90 kg (6029 rpm dan 6187 rpm) yaitu sebesar 13,1. Untuk pertamax plus AFR terendah Gambar 8. Grafik effisiensi termal vs putaran mesin Dari hasil perhitungan dan grafik dibawah dapat dilihat besarnya effisiensi termal untuk masing-masing perhitungan, untuk bahan bakar premium effisiensi termal terendah terjadi pada pembebanan 193
pengemudi 70 kg dan 90 kg (5371 rpm dan 5387 rpm) yaitu sebesar 29,29 % sedangkan effisiensi termal tertinggi terjadi pada pembebanan 60 kg (2562 rpm) yaitu sebesar 37,27 %. Untuk pertamax plus effisiensi termal terendah terjadi pada pembebanan pengemudi 60 kg (5005 rpm) yaitu sebesar 25,27 % sedangkan effisiensi termal tertinggi terjadi pada pembebanan 60 kg dan 70 kg (3514 rpm dan 3515 rpm) yaitu sebesar 31,18 %. dioksida tertinggi terjadi pada pembebanan 90 kg (6159 rpm) yaitu sebesar 1,18%. Gambar 10. Grafik kadar CO 2 vs putaran mesin Gambar 9. Grafik kadar CO vs putaran mesin besarnya kadar karbon monoksida (CO) untuk masing-masing pengujian, untuk bahan bakar premium kadar karbon monoksida terendah terjadi pada pembebanan pengemudi 60 kg (2562 rpm) yaitu sebesar 0,548% sedangkan kadar karbon monoksida tertinggi terjadi pada pembebanan 70 kg (4377 rpm) yaitu sebesar 0,99%. Untuk pertamax plus kadar karbon monoksida terendah terjadi pada pembebanan pengemudi 60 kg (2133 rpm) yaitu sebesar 0,545% sedangkan kadar karbon monoksida tertinggi terjadi pada pembebanan 70 kg (4377 rpm) yaitu sebesar 1,099%. Untuk bahan bakar premium kadar karbon dioksida terendah terjadi pada pembebanan pengemudi 60 kg (3370 rpm dan 4360rpm) yaitu sebesar 0,73% sedangkan kadar karbon dioksida tertinggi terjadi pada pembebanan 90 kg (6187 rpm) yaitu sebesar 0,94%. Untuk pertamax plus kadar karbon dioksida terendah terjadi pada pembebanan pengemudi 70 kg (3515 rpm) yaitu sebesar 0,86% sedangkan kadar karbon Gambar 11. Grafik kadar O 2 vs putaran mesin besarnya kadar oksigen (O 2 ) untuk masing-masing pengujian, untuk bahan bakar premium kadar oksigen terendah terjadi pada pembebanan pengemudi 70 kg (4377 rpm) yaitu sebesar 18,87% sedangkan kadar oksigen tertinggi terjadi pada pembebanan 60 kg (2562 rpm) yaitu sebesar 19,53%. Untuk pertamax plus kadar oksigen terendah terjadi pada pembebanan pengemudi 70 kg (6097 rpm) yaitu sebesar 18,98% sedangkan kadar oksigen tertinggi terjadi pada pembebanan 70 kg (2585 rpm) yaitu sebesar 19,57%. 5. Kesimpulan Adapun kesimpulan yang dihasilkan dari pengujian ini adalah : 1. Pada mesin otto berbahan bakar premium dan pertamax plus torsi dan daya mengalami penurunan sebesar 17,19% dan 18,62% 194
ketika menggunakan bahan bakar rendah, sedangkan torsi dan daya akan mengalami peningkatan sebesar 4,65% dan 4,9% ketika menggunakan bahan bakar premium pada putaran mesin tinggi. 2. Perbandingan udara bahan bakar (AFR) untuk bahan bakar premium dan pertamax plus mengalami penurunan 12,04% ketika menggunakan bakar premium pada putaran mesin rendah, sedangkan AFR akan mengalami peningkatan sebesar 8,4% ketika menggunakan bahan bakar tinggi. 3. Konsumsi bahan bakar spesifik (SFC) untuk bahan bakar premium dan pertamax plus mengalami penurunan 19,54% ketika menggunakan bakar premium pada putaran mesin rendah, sedangkan SFC akan mengalami peningkatan sebesar 15,94% ketika menggunakan bahan bakar tinggi. 4. Effisiensi termal untuk untuk bahan bakar premium dan pertamax plus mengalami penurunan 13,72% ketika menggunakan bakar tinggi, sedangkan effisiensi termal akan mengalami peningkatan sebesar 16,34% ketika menggunakan bahan bakar premium pada putaran mesin rendah. 5. Pertamax plus menghasilkan emisi gas buang yang lebih tinggi dibandingkan premium, untuk emisi karbon monoksida (CO) meningkat 13,51%, emisi karbon dioksida (CO 2 ) meningkat 13,73% dan oksigen (O 2 ) meningkat sebesar 0,68%. Daftar Pustaka [1] Arismunandar, Wiranto. 1988. Penggerak Mula Motor Torak. Penerbit ITB Bandung. [2] Heywood. John B. 1998. Internal Combustion Engines Fundamental. New York. [3] Holman, J.P. 1984. Experimental Methods for Engineers. McGraw-Hill Book, Inc. [4] Pulkrabek, Willard W. 1997. Engineering Fundamental of the Internal Combustion Engine. New Jersey. Prentice Hall [5] Y. A. Cengel and M. A. Boles, Thermodynamics An Engineering Approach, 5th ed, McGraw-Hill, 2006. [6]http://bendut.blogspot.com/2010/01/sikl us-kerja-mesin-4-langkah.html [7]http://www.engineeringtoolbox.com/fuel s-higher-calorific-values-d_169.html [8]http://www.innovatemotorsports.com/pr oducts/lm2.php [9] http://www.penixtech.com [10] http://www.spx.com.au/pdf/stargas- 898-488.pdf 195