0069: Harus L.G. dkk. TR-29 PENGEMBANGAN GENERATOR GAS H 2 O 2 JENIS WET DAN DRY CELL 6 RUANG UNTUK KENDARAAN BERMESIN INJEKSI 1300CC Harus Laksana Guntur, I Nyoman Sutantra, Bambang Sampurno, dan Rasiawan Jurusan Teknik Mesin, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arif Rahman Hakim, Sukolilo, Surabaya 60111 Telepon (031) 5946230 e-mail: haruslg@me.its.ac.id Disajikan 29-30 Nop 2012 ABSTRAK Browns gas atau gas H 2O 2 adalah sumber energi alternatif yang sudah lama digunakan sebagai campuran BBM karena mampu menurunkan konsumsi bahan bakar kendaraan sampai tingkat tertentu. Ada dua jenis generator gas H 2O 2 yang selama ini digunakan di kendaraan, jenis wet dan dry cell. Paper ini melaporkan hasil pengembangan generator gas H 2O 2 jenis wet dan dry cell 6 ruang, hasil uji karkateristik generator dan efisiensi energinya, dan aplikasi generator pada kendaraan bermesin injeksi 1300cc. Sebagai elektroda digunakan SS304 dengan tebal 2mm, luas 256cm 2 dan sebagai katalis digunakan KOH 25%. Pengujian karakteristik alat meliputi pengukuran konsumsi daya listrik, laju produksi gas dan kandungan gas hidrogen. Prototipe generator gas H 2O 2 jenis wet dan dry cell 6 ruang ini kemudian diaplikasikan pada kendaraan bermesin injeksi 1300c. Konsumsi bahan bakar spesifik (sfc), daya engine dan emisi gas buang dari kendaraan sebelum dan sesudah menggunakan kedua prototipe alat ini diukur.hasil pengujian kemudian dibandingkan, dianalisa dan disikusikan dalam paper ini. Kata Kunci: Generator gas H 2O 2, kadar hidrogen, daya engine, konsumsi bahan bakar spesifik, emisi gas buang I. PENDAHULUAN Gas H 2 O 2 adalah gas dari hasil proses elektrolisis air dengan katalisator tertentu (KOH atau H 2 SO 4 ). Unsur hidrogen dan oksigen murni pada gas HHO memiliki nilai kalor dan oktan yang tinggi. Selain itu, hasil pembakaran dari pencampuran dengan gas H 2 O 2 dapat mengurangi tingkat polusi. [1] Jika gas tersebut ditambahkan pada mesin bahan bakar solar atau bensin, maka akan dapat meningkatkan kualitas pembakaran yang disebabkan oleh nilai oktan bahan bakar yang naik. Penggunaan gas H 2 O 2 juga dapat meningkatkan efisiensi pembakaran, seperti yang dilaporkan oleh Goldwitz dan Heywood yang mengoptimalkan kondisi pembakaran mesin spark ignition dengan menambahkan hidrogen sebagai suplemen bahan bakar, sehingga menghasilkan efisiensi lebih dari 25%. [2] Verhelst dan Sierents dalam penelitiannya membandingkan injeksi hidrogen pada mesin spark ignition dengan karburator dan dengan sistem injeksi. [3] Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa dengan penambahan hidrogen pada mesin fuel injection bisa menghasilkan daya lebih besar dan resiko backfiring yang lebih kecil. LIPI telah mencoba melakukan injeksi air pada kendaraan 225 cc spark ignition dan menghasilkan penurunan emisi gas CO dan HC. [4] Selain itu Christoper juga telah melakukan injeksi air pada mesin disel, dan hasilnya dapat mengurangi emisi NO x sebesar 82% serta terjadi peningkatan torsi. [5] Pada penelitian Lanzafame disebutkan bahwa injeksi air pada mesin spark ignition dapat menghilangkan detonasi dan mengurangi NO x lebih dari 50%, kenaikan angka oktan lebih dari 50% dan peningkatan kerja mesin antara 30% - 50%. [6] Harus L.G. juga telah mengembangkan generator gas H 2 O 2 model 6 ruang dan mangaplikasikannya pada mobil bermesin karburator kapasitas 1000cc dan 1300cc. [7 9] Hasil pengujian menunjukkan adanya penurunan konsumsi bahan bakar hingga 18% dan tidak ada perubahan yang signifikan pada hasil pengukuran daya engine. Paper ini melaporkan hasil pengembangan generator gas H 2 O 2 jenis wet dan dry cell 6 ruang, hasil uji karkateristik generator dan efisiensi energinya, dan aplikasi generator pada kendaraan bermesin injeksi 1300cc. Sebagai elektroda digunakan SS304 dengan tebal 2mm, luas 256cm 2 dan sebagai katalis digunakan KOH 25%.
TR-30 Pengujian karakteristik alat meliputi pengukuran konsumsi daya listrik, laju produksi gas dan kandungan gas hidrogen. Prototipe generator gas H 2 O 2 jenis wet dan dry cell 6 ruang ini kemudian diaplikasikan pada kendaraan bermesin injeksi 1300c. Konsumsi bahan bakar spesifik (sfc), daya engine dan emisi gas buang dari kendaraan sebelum dan sesudah menggunakan kedua prototipe alat ini diukur. Hasil pengujian kemudian dibandingkan, dianalisa dan disikusikan. II. METODOLOGI Metode penelitian ini secara garis besar dilakukan dalam tahapan sebagai berikut: review sistem suplai gas H 2 O 2 ; rancang bangun generator gas H 2 O 2 ; uji karakteristik prototipe alat; aplikasi generator gas H 2 O 2 dan uji performa kendaraan. Penjelasan detail dari tiap tahapan penelitian adalah sebagai berikut: A. Review sistem suplai gas H 2 O 2 Sistem suplai Browns gas atau gas H 2 O 2 pada dasarnya bekerja berdasarkan prinsip elektrolisis air yang ditambahkan katalis tertentu (KOH, NaOH atau H 2 SO 4 ) dengan menggunakan sepasang elektroda yang dialiri arus listrik dari sumber tegangan tertentu. Elektroda yang pertama sebagai kutub positif atau anoda dan elektroda yang kedua sebagai kutub negatif atau katoda. GAMBAR 1 menunjukkan prinsip kerja dari elektrolisis. Dari kutub positif dihasilkan ion negatif yaitu anion dan menghasilkan gas oksigen. Sementara dari kutub negatif ini menghasilkan ion positif yaitu kation dan menghasilkan gas hidrogen. Gas hidrogen inilah yang dicampurkan dengan bahan bakar, agar bahan bakar dapat terbakar secara sempurna di ruang bakar. B. Rancang bangun generator gas H 2 O 2 Pada penelitian ini dikembangkan sebuah prototipe generator gas H 2 O 2 jenis wet dan dry cell 6 ruang yang terususun dari pelat SS304 sebagai elektroda, dengan luas elektrode 256cm 2 (16 cm 16cm) dan sebagai katalis digunakan KOH 25%. Pemilihan SS304 sebegai elektrode didasari pada mudahnya metrial ini didapatkan dipasaran, harganya yang lebih murah jika dibanding dengan SS316L, serta effisiensi material SS304 sebagai elektrode tidak menujukkan perbedaan yang signifikan dengan SS316L. GAMBAR 2 menunjukkan prototipe generator gas H 2 O 2 jenis wet cell hasil rancang bangun dan GAMBAR 3 menunjukkan prototipe generator gas H 2 O 2 jenis dry cell hasil rancang bangun. Dimensi generator gas H 2 O 2 jenis wet dan dry cell dibuat sama. Perbedaan antara jenis wet dan dry cell adalah pada kondisi elektrodanya yang tercelup dan tidak tercelup. Untuk wet cell, elektrodanya tercelup dalam larutan air dan katalis, sedangkan untuk dry cell elektrodanya kering karena larutan diletakkan dalam reservoir terpisah. 2H 2 O (l) 2H 2(g) + O 2(g) GAMBAR 1: Prinsip kerja elektrolisis. 0069: Harus L.G. dkk. GAMBAR 2: Prototipe generator gas H 2O 2 jenis wet cell hasil rancang bangun. C. Uji karakteristik prototipe alat Uji karakteristik prototipe generator gas H 2 O 2 jenis wet dan dry cell 6 ruang yang dihasilkan dari proses rancang bangun meliputi: pengukuran konsumsi daya listrik prototipe alat, laju produksi gas, kadar hydrogen (H 2 ) yang terkandung pada gas H 2 O 2. GAMBAR 4 me-
0069: Harus L.G. dkk. TR-31 GAMBAR 3: Skema alur uji karakteristik alat. GAMBAR 4: Prototipe generator gas H 2O 2 jenis dry cell hasil rancang bangun. GAMBAR 5: Foto pengujian daya,sfc dan emisi gas buang kendaraan sebelum dan sesudah menggunakan generator gas H 2O 2. nunjukkan skema alur uji karakteristik alat, yaitu pengukuran konsumsi daya listrik yang dibutuhkan, laju produksi gas, dan kadar hydrogen (H 2 ) yang terkandung pada gas H 2 O 2. D. Aplikasi generator gas H 2 O 2 dan uji performa kendaraan GAMBAR 5 menunjukkan foto pengujian daya, sfc dan emisi gas buang kendaraan sebelum dan sesudah menggunakan generator gas H 2 O 2. Pengujian daya engine dilakukan dengan menggunakan dynotest pada putaran yang divariasikan hingga mencapai 6000 RPM. Selain daya, konsumsi bahan bakar spesifik (sfc) dilakukan dengan melakukan pengamatan pada jarum indikator bahan bakar dengan memberikan kecepatan konstan pada kendaraan selama periode waktu tertentu (5 menit).emisi gas buang yang diukur meliputi kadar NO x, CO, CO x dan HC. Kendaraan uji menggunakan mesin injeksi kapasitas 1300cc. Pengujian dilakukan pada kendaraan sebelum dan sesudah menggunakan generator gas H 2 O 2 jenis wet dan dry cell. III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Hasil uji karakteristik prototipe alat Hasil uji karakteristik alat berupa konsumsi daya listrik, laju produksi gas H 2 O 2 dan kadar gas hidrogen (H 2 ) dalam gas untuk prototipe generator jenis wet cell dengan chromatography analyzer bisa dilihat pada TABEL 1 dan GAMBAR 6. Sedangkan untuk generator jenis dry cell bisa dilihat pada TABEL 2 dan GAMBAR 7. Dari hasil pengujian karakteristik prototipe alat bisa disimpulkan bahwa untuk jenis wet cell, laju produksi gas H 2 O 2 rata-rata 2,52 ml/s dengan konsumsi daya listrik rata-rata sebesar 28,32 Watt. Sedangkan untuk jenis dry cell memiliki laju produksi gas H 2 O 2 rata-rata sebesar 4,46 ml/s dengan konsumsi daya listrik ratarata sebesar 67,2 Watt. Sedangkan kadar hidrogen (H 2 ) pada gas H 2 O 2 yang dihasilkan oleh generator jenis wet cell dan dry cell hampir sama, yaitu rata-rata 77%. Dari hasil pengujian ini bisa disimpulkan bahwa generator gas jenis wet cell memiliki efisiensi lebih tinggi jika dibandingkan generator jenis dry cell. B. Hasil uji performa kendaraan sebelum dan sesudah menggunakan generator gas H 2 O 2 Hasil uji performa mesin kendaraan sebelum dan sesudah menggunakan prototipe generator gas H 2 O 2 jenis wet dan dry cell bisa dilihat pada GAMBAR 8 hingga GAMBAR 11. GAMBAR 8 dan GAMBAR 9 menunjukkan grafik hasil uji daya dan torsi kendaraan sebelum dan sesudah menggunakan generator gas H 2 O 2 jenis wet cell. Sedangkan GAMBAR 10 dan GAMBAR 11 menunjukkan grafik hasil uji daya dan torsi kendaraan sebelum dan sesudah menggunakan generator gas H 2 O 2 jenis dry cell. Hasil uji menunjukkan bahwa daya dan torsi kendaraan mengalami kenaikan pada putaran 2000 RPM hingga 4000 RPM ketika menggunakan generator gas jenis wet cell jika dibandingkan dengan sebelum menggunakan. Sedangkan ketika kendaraan menggunakan generator gas jenis dry cell, kenaikan
TR-32 0069: Harus L.G. dkk. TABEL 1: Konsumsi daya dan laju produksi generator gas jenis wet cell. Pengujian ke Daya (Watt) Flowrate (ml/s) 1 25,2 2,54 2 30 2,7 3 27,6 2,61 4 30 2,4 5 28,8 2,34 Rata-rata 28,32 2,52 TABEL 2: Konsumsi daya dan laju produksi generator gas jenis dry cell. Pengujian ke Daya (Watt) Flowrate (ml/s) 1 68,4 4,68 2 67,2 5,26 3 67,2 4,41 4 66 4,05 5 67,2 3,89 Rata-rata 67,2 4,46 GAMBAR 7: Hasil uji kadar hidrogen(h 2) pada gas H 2O 2 produksi generator jenis dry cell dengan chromatography analyzer. GAMBAR 8: Hasil uji daya kendaraan sebelum dan sesudah menggunakan generator gas H 2O 2 jenis wet cell. GAMBAR 6: Hasil uji kadar hidrogen(h 2) pada gas H 2O 2 produksi generator jenis wet cell dengan chromatography analyzer. daya dan torsi kendaraan juga terjadi pada putaran 3000 RPM hingga 5000 RPM. Sementara hasil pengujian emisi gas buang kendaraan bisa dilihat pada tabel 4 dan 5. Dari data hasil pengujian emisi gas buang bisa dilihat bahwa terjadi penurunan kadar gas CO, CO x, NO x dan HC setelah kendaraan menggunakan generator gas, baik jenis wet dan dry cell jika dibandingkan dengan sebelum kendaraan menggunakannya. TABEL 3: Hasil uji emisi gas buang kendaraan sebelum dan sesudah menggunakan generator jenis wet cell. Pengujian Wet Cell (3000 rpm) Sebelum Sesudah NOX (%) 0.982 0.913 COX (%) 13.2 12.2 CO (%) 0.26 1.11 HC (ppm) 208 135 IV. KESIMPULAN Paper ini melaporkan hasil pengembangan generator gas H 2 O 2 jenis wet dan dry cell 6 ruang, hasil uji karka-
0069: Harus L.G. dkk. TR-33 GAMBAR 9: Hasil uji torsi kendaraan sebelum dan sesudah menggunakan generator gas H 2O 2 jenis wet cell. GAMBAR 11: Hasil uji torsi kendaraan sebelum dan sesudah menggunakan generator gas H 2O 2 jenis dry cell. GAMBAR 10: Hasil uji daya kendaraan sebelum dan sesudah menggunakan generator gas H 2O 2 jenis dry cell. TABEL 4: Hasil uji emisi gas buang kendaraan sebelum dan sesudah menggunakan generator jenis dry cell. Pengujian Dry Cell (3000 rpm) Sebelum Sesudah NOX (%) 0.982 0.984 COX (%) 13.2 13.1 CO (%) 0.26 0.19 HC (ppm) 208 195 teristik generator dan efisiensi energinya, dan aplikasi generator pada kendaraan bermesin injeksi 1300cc. Sebagai elektroda digunakan SS304 dengan tebal 2mm, luas 256cm 2 dan sebagai katalis digunakan KOH 25%. Pengujian karakteristik alat meliputi pengukuran konsumsi daya listrik, laju produksi gas dan kandungan gas hidrogen. Prototipe generator gas H 2 O 2 jenis wet dan dry cell 6 ruang ini kemudian diaplikasikan pada kendaraan bermesin injeksi 1300cc. Konsumsi bahan bakar spesifik (sfc), daya engine dan emisi gas buang dari kendaraan sebelum dan sesudah menggunakan kedua prototipe alat ini diukur. Dari hasil pengujian karakteristik prototipe alat bisa disimpulkan bahwa untuk jenis wet cell, laju produksi gas H 2 O 2 rata-rata 2,52 ml/s dengan konsumsi daya listrik rata-rata sebesar 28,32 Watt. Sedangkan untuk jenis dry cell memiliki laju produksi gas H 2 O 2 rata-rata sebesar 4,46 ml/s dengan konsumsi daya listrik rata-rata sebesar 67,2 Watt. Sedangkan kadar hidrogen (H 2 ) pada gas H 2 O 2 yang dihasilkan oleh generator jenis wet cell dan dry cell hampir sama, yaitu rata-rata 77%. Dari hasil pengujian ini bisa disimpulkan bahwa generator gas jenis wet cell memiliki efisiensi lebih tinggi jika dibandingkan generator jenis dry cell.hasil uji performa kendaraan menunjukkan adanya kenaikan daya engine setelah menggunakan generator gas, baik jenis wet maupun dry cell. DAFTAR PUSTAKA [1] KLH, Ambang Batas Emisi Gas Buang Kendaraan Bermotor, No.35, Jakarta(1993). [2] J.A. Goldwitz, J.B. Heywood, Combustion optimization in a hydrogen-enhanced lean-burn SI engine, SAE paper no. 01-0251(2005). [3] S. Verhelst, R. Sierens, Aspects concerning the optimisation of a hydrogen fueled engine. Int J Hydrogen Energy; 26: 9815(2005). [4] LIPI, Pengujian Water and Air Injection, Lab Motor Bakar LIPI(2008). [5] J. C. Christoper, J.B.D. Philip, Effect of diesel and water co-injection with real time control on diesel engine performance and emissions,sae Int. World congress, Detroid(2008). [6] R. Lanzafame, Water injection effects in asinglecylinder CFR engine. SAE Int. Congress and expo-
TR-34 0069: Harus L.G. dkk. sition Detroit, Micigan(1999). [7] Harus L.G., A.Hakim, B.Sampurno dan I Nyoman Sutantra, Aplikasi Brown Gas (HHO) pada Mobil Bermesin Karburator Kapasitas 1000cc. Proseeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNTTM) ke-10, Universitas Brawijaya, Malang, 2-3 November (2011). [8] Harus L.G., Rasiawan, B.Sampurno dan I Nyoman Sutantra, Pengembangan Elektroliser Gas HHO dengan Sistem Pengendali Laju Produksi. Seminar Nasional TahunanTeknik Mesin (SNTTM) ke-9, UNSRI, Palembang, 13-15 Oktober (2010). [9] Harus L.G., Rasiawan, B.Sampurno dan I Nyoman Sutantra, Pengembangan Sistem Suplai Brown Gas Model 6 Ruang Tersusun Seri pada Mesin Mobil 1300cc dengan Sistem Karburator. Jurnal Teknik Mesin UK Petra, Vol.13, No.1,pp.13-17,April (2011). [10] Harus L.G., Fariz Hidayat, Iqbal Wahyudin, I Nyoman Sutantra, Pengembangan Sistem Pembangkit HHO-Wet Cell Dua Ruang dan Aplikasinya pada Kendaraan Bermesin Karburotor 1300cc dan 1500cc, Seminar Nasional Teknik Mesin, UK Petra (2012). [11] JANAF,Thermochemical Tables, NSRDS-NBS-37, 1971: Selected Values of Chemical Thermodynamics Properties, NBS Tech.