TUGAS AKHIR STUDI EKSPERIMENTAL PENGARUH PENAMBAHAN COOLANT PADA RADIATOR TERHADAP UNJUK KERJA DAN EMISI GAS BUANG MESIN SINJAI BERBAHAN BAKAR BI-FUEL ( PREMIUM - COMPRESSED NATURAL GAS (CNG) ) OLEH : DADANG HIDAYAT ( 2112 105 027 ) DOSEN PEMBIMBING : Dr. Bambang Sudarmanta, ST., MT. JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2014
LATAR BELAKANG Keunggulan CNG : Bersifat Ringan Nilai oktan lebih tinggi Tidak bersifat Korosif Ramah Lingkungan
LATAR BELAKANG
LATAR BELAKANG Perbandingan Properties Gasoline dengan Compressed Natural Gas (CNG) PROPERTIES GASOLINE CNG Angka Oktan (RON) 80-90 110-120 Density (kg/m 3 ) 749 0.772 Heat of vaporization (kj/kg) 305 509 Stoichiometric AFR 14.6 17 Lower heating value (MJ/kg) 44 47,669 Higher heating value (MJ/kg) 47.3 55.5 Laminar burning velocity (m/s) 0.5 0.43 Titik Nyala ( o C ) 480-550 650 Molar mass 110 18.76 Lower heating value of stoic. mixture (MJ/kg) 2.83 2.72 Stoichiometric mixture density (kg/m 3 ) 1.38 1.24 Sumber: 1). Atok Setyawan: 2012 dalam BIMTEK BBG-DIRJEN MIGAS. 2). Proyek transportasi kota yang berkelanjutan : 2000.
PERUMUSAN MASALAH Bagaimana karakteristik dari coolant sebagai cairan pengisi radiator Unjuk Kerja variasi penambahan coolant pada radiator dengan komposisi tertentu Emisi
BATASAN MASALAH Radiator yang digunakan adalah radiator dari mesin Sinjay dengan model LJ276MT-2 yang terletak di Laboratorium TeknikPembakaran dan Bahan Bakar Teknik Mesin ITS Percobaan menggunakan mesin bensin dua silinder empat langkah yang telah dimodifikasi pada bagian saluran isap untuk mensuplai CNG. Kondisi mesin bensin dalam keadaan standar. Tidak membahas mengenai pembuatan CNG serta reaksi kimia yang terjadi. Analisa fouling tidak diikut sertakan Tidak ada kebocoran dalam sistem Bensin yang digunakan adalah bensin standar yang beredar dipasaran (hasil produksi PT.Pertamina) Kondisi peralatan yang digunakan saat pengambilan data diasumsikan terkalibrasi.
TUJUAN PENELITIAN Mengetahui karakteristik dari coolant dan kemampuannya dalam mendinginkan mesin Mengetahui perubahan kondisi operasional pada mesin berbahan bakar bi fuel dengan variasi penambahan coolant dengan komposisi tertentu. Mengetahui performansi dan emisi gas buang dari mesin bensin berbahan bakar CNG dengan variasi penambahan coolant pada radiator
MANFAAT PENELITIAN Menambah pengetahuan tentang sistem pendinginan mesin Diharapkan dapat menambah wawasan dan pengetahuan mahasiswa secara umum dan penulis khususnya mengenai variasi penambahan radiator coolant terhadap performansi dan emisi dari mesin bensin berbahan bakar CNG Diharapkan dapat dipakai sebagai acuan dan referensi untuk pengembangan penelitian selanjutnya.
TINJAUAN PUSTAKA Methana (CH 4 ) Ethana (C 2 H 6 ) Propane (C 3 H 8 ) Iso-Butane (i-c 4 H 10 ) N- Butane (n-c 4 H 10 ) Iso-Pentane (i-c 5 H 12 ) N-Pentane (n-c 5 H 12 ) Nitrogen (N 2 ) Car. Diodxida (C0 2 ) Hexane C 6 +(C 6 H 14 ) Oxygen Carbon monoxide KOMPOSISI KIMIA CNG Komposisi kimia Prosentase (%) 98,7583 0,3816 0,1527 0,0445 0,0275 0,0151 0,0081 0,4 0,1723 0,0399 - - Total 100 Sumber : PT. Pgas solution, Wilayah Surabaya
PENELITIAN TERDAHULU Waleed Nessim dan Fujun Zhang ( 2012 ) Powertrain Warm-up Improvement using Thermal Management Systems mapping panas yang dilepaskan dari mesin menuju sistem pendingin yang menggunakan fluida air. Kesimpulan yang diperoleh dari hasil mapping adalah bahwa panas yang dibuang ke coolant semakin naik dengan meningkatnya putaran mesin Tidak terdapat perbedaan yang terlalu jauh antara eksperimen dan simulasi.
PENELITIAN TERDAHULU Torsi (Kg.m) 2.4 2.2 2 Grafik Hubungan Campuran Water Coolant terhadap Torsi rata-rata 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Torsi Gatot Soebiyakto (2011) Pengaruh penggunaan water coolant terhadap performance mesin diesel Campuran Water Coolant (Liter) Tekanan (Kg/cm²) Daya ( HP ) Grafik Hubungan Campuran Water Coolant Terhadap Daya Indikator dan Efektif rata-rata 8 7 6 5 Grafik Hubungan Campuran Water Coolant terhadap tekanan Indikator dan Efektif ratarata 2 1.5 1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Campuran Water Coolant (Liter) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Pi Pe Ni Ne Kesimpulan: Penggunaan water coolant pada mesin diesel tidak mempengaruhi nilai torsi. Torsi yang didapat adalah sama baik tanpa campuran water coolant atau pun dengan campuran water coolant. Penambahan water coolant berpengaruh terhadap daya mesin,semakin banyak campuran water coolant semakin menurun juga daya yang diperoleh,hal ini disebabkan dengan campuran water coolant mesin bekerja lebih extra dari pada tanpa water coolant. Tidak terdapat pengaruh yang besar terhadap tekanan efektif rata-rata yang disebabkan oleh campuran water coolant Campuran Water Coolant (Liter)
PENELITIAN TERDAHULU A Technical Review of Compressed Natural Gas as an Alternative Fuel for Internal Combustion Engines Semin dan Abu Bakar Rosli (2008) Hasil Penelitian : CNG adalah satu-satunya bahan bakar yang lebih murah daripada bensin atau solar CNG memiliki inheren rendah emisi sehingga mengurangi efek rumah kaca
METODOLOGI PENELITIAN EKSPERIMENTAL Mesin Sinjai 2 Silinder 650 cc dimodifikasi menjadi bi-fuel Dilakukan penambahan coolant pada radiator dengan variasi komposisi tertentu Hasil : Torsi Emisi : CO, CO 2, HC Temperatur : Mesin, Oli, Exhaust, Temperatur air masuk dan keluar radiator Pengujian : Unjuk kerja dengan Waterbrake Dynamometer Emisi gas buang dengan Exhaust Gas Analyzer Temperatur dengan Thermocouple
TAHAPAN PENELITIAN 1. Mesin Sinjai 2 Silinder 650 cc dimodifikasi menjadi bi-fuel Injektor CNG Multi Point MAP CNG Filter CNG Pressure Reducer Tabung CNG Filling Valve Solenoid Valve
2. Setting Alat Ukur TAHAPAN PENELITIAN
TAHAPAN PENELITIAN 3. Melakukan Variasi penambahan coolant pada radiator dengan komposisi tertentu Variasi komposisi cairan pengisi radiator yaitu dengan persentase volume total : 0% coolant & 100% air. 25% coolant & 75% air 50% coolant & 50% air, 75% coolant & 25% air,
PERALATAN PENGUJIAN 1. Mesin Uji Spesifikasi mesin uji Model Jumlah Silinder Type Pendinginan mesin Diameter x langkah Sinjai 2 Silinder Inline Radiator 76 x 71mm Rasio Kompresi 9.0 : 1 Daya maksimum Torsi Maksimum Kecepatan idle Volume Langkah Arah Putaran 18kW pada putaran 4500 rpm 49N.m pada putaran 2700-3300 rpm 900 + 50 rpm 0.322 liter per silinder Counter Clockwise
PERALATAN PENGUJIAN 2.Radiator No Data Nilai 1 Volume radiator PxLxT = 440mm x42 mmx255mm 2 Diameter tube 6 mm 3 Panjang tube 255 mm 4 Jumlah baris tube 2 5 Jumlah tube tiap baris 22 6 Jarak antar tube 17 mm 7 Jumlah tube arah transfersal 2 8 Jumlah tube arah longitudinal 22 90 Tebal fin 0.3 mm 10 Jumlah fin 159 11 Panjang fin 440 mm 12 Lebar fin 16 mm 13 Jarak antar fin 2 mm
PERALATAN PENGUJIAN 3. Pertamina Coolant
ALAT UJI Waterbrake Dynamometer Digital Thermometer Exhaust Gas Analyzer Mengukur : Torsi Mengukur : T. Mesin T. Oli T. Exhaust T. Air masuk dan keluar Radiator Mengukur : Emisi Gas Buang CO, CO 2, dan HC
ALAT UJI Pitot Static Tube Tabung Konsumsi Bahan Bakar Stop Watch
SKEMA PENGUJIAN
HASIL PENELITIAN Grafik Temperatur Engine fungsi Putaran Mesin 110 Grafik Temperatur Engine terhadap Putaran Mesin Temperatur Engine (ºC) 100 90 80 Bensin 100 % 0 % Coolant 25 % Coolant 50 % Coolant 75 % Coolant 70 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Putaran Mesin (rpm)
HASIL PENELITIAN Grafik Torsi fungsi Putaran Mesin Grafik Torsi terhadap Putaran Mesin 55 Data Standar Bensin Torsi (Nm) 45 35 Bensin 100% 0 % Coolant 25 % Coolant 50 % Coolant 75 % Coolant 25 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Putaran Mesin (rpm)
HASIL PENELITIAN Grafik Daya fungsi Putaran Mesin Grafik Daya terhadap Putaran Mesin 21 Data Standar Bensin 17 Bensin 100% Daya (kw) 13 0 % Coolant 25 % Coolant 50 % Coolant 9 75 % Coolant 5 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Putaran Mesin (rpm)
HASIL PENELITIAN Grafik Konsumsi Bahan Bakar Spesifik fungsi Putaran Mesin 0.35 Grafik SFC terhadap Putaran Mesin 0.3 Data Standar Bensin SFC 0.25 0.2 Bensin 100% 0 % Coolant 25 % coolant 50 % Coolant 75 % Coolant 0.15 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Putaran Mesin (rpm)
HASIL PENELITIAN Grafik Tekanan Efektif Rata-rata fungsi Putaran Mesin Grafik BMEP terhadap Putaran Mesin 950 850 BMEP (KPa) 750 650 Bensin 100 % 0 % Coolant 25 % Coolant 50 % Coolant 75 % Coolant 550 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Putaran Mesin (rpm)
HASIL PENELITIAN Grafik Air Fuel Ratio fungsi Putaran Mesin 22 Grafik AFR terhadap putaran mesin 20 AFR 18 16 14 12 Bensin 100 % 0 % Coolant 25 % Coolant 50 % Coolant 75 % Coolant 10 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Putaran Mesin (rpm )
HASIL PENELITIAN Grafik Effisiensi Volumetrik fungsi Putaran Mesin 95 Grafik Effisiensi Volumetrik terhadap putaran mesin 85 Effisiensi Volumetrik 75 65 55 45 35 25 Bensin 100 % 0 % Coolant 25 % Coolant 50 % Coolant 75 % Coolant 15 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Putaran Mesin (rpm)
Grafik Temperatur Exhaust & Inlet Radiator fungsi Putaran Mesin 750 Grafik Temperatur Exhaust terhadap Putaran Mesin Termperatur Exhaust (ºC) 700 650 600 550 500 450 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Putaran Mesin (rpm) Bensin 100 % 0 % coolant 25 % Coolant 50 % Coolant 75 % Coolant Temperatur Inlet Radiator (ºC) Grafik Temperatur Inlet Radiator terhadap Putaran Mesin 125 105 85 65 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Putaran Mesin (rpm) Bensin 100 % 0 % coolant 25 % Coolant 50 % Coolant 75 % Coolant
Grafik Temperatur Outlet Radiator & Oli fungsi Putaran Mesin Grafik Temperatur Outlet Radiator terhadap Putaran Mesin Temperatur Outlet Radiator (ºC) 115 100 85 70 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Putaran Mesin (rpm) Bensin 100 % 0 % Coolant 25 % Coolant 50 % Coolant 75 % Coolant Grafik Temperatur Oli terhadap Putaran Mesin Temperatur Oli (ºC) 130 115 100 85 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Putaran Mesin (rpm) Bensin 100 % 0 % coolant 25 % Coolant 50 % Coolant 75 % Coolant
HASIL PENELITIAN Grafik Emisi Gas HC fungsi Putaran Mesin Grafik Emisi Gas HC terhadap Putaran Mesin 700 650 Emisi Gas HC (ppm) 600 550 500 450 400 Bensin 100 % 0 % coolant 25 % Coolant 50 % Coolant 75 % Coolant 350 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Putaran Mesin (rpm)
Grafik Emisi Gas CO & CO2 fungsi Putaran Mesin Grafik Emisi Gas CO terhadap Putaran Mesin Emisi Gas CO (%) 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Putaran Mesin (rpm) Bensin 100 % 0 % coolant 25 % Coolant 50 % Coolant 75 % Coolant Grafik Emisi Gas CO2 terhadap Putaran Mesin 3 Emisi Gas CO2 (%) 2.5 2 1.5 1 0.5 0 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Putaran Mesin (rpm) Bensin 100 % 0 % coolant 25 % Coolant 50 % Coolant 75 % Coolant
KESIMPULAN DAN SARAN KESIMPULAN Torsi rata-rata tertinggi mesin berbahan bakar CNG terjadi pada komposisi 50 % coolant, yaitu sebesar 41,08 N.m. Namun, masih lebih rendah 5,07 % jika dibandingkan dengan torsi rata-rata pada mesin berbahan bakar bensin. Daya rata-rata tertinggi mesin berbahan bakar CNG terjadi pada komposisi 50 % coolant, yaitu sebesar 14,99 kw. Namun, masih lebih rendah 4,76 % jika dibandingkan dengan daya rata-rata mesin berbahan bakar bensin. Konsumsi bahan bakar spesifik rata-rata terendah mesin berbahan bakar CNG terjadi pada komposisi 25 % coolant, yaitu sebesar 0,23. Lebih rendah 12,81 % jika dibandingkan dengan konsumsi bahan bakar spesifik rata-rata mesin berbahan bakar bensin. Tekanan efektif rata-rata tertinggi pada mesin berbahan bakar CNG terjadi pada komposisi 50 % coolant, yaitu sebesar 796,27 kpa. Namun, lebih rendah 5,07 % jika dibandingkan dengan tekanan efektif rata-rata mesin berbahan bakar bensin. Efisiensi volumetrik mesin dengan bahan bakar bensin lebih tinggi jika dibandingkan dengan bahan bakar gas CNG. Sedangkan jika ditinjau dari komposisi coolant, tidak terdapat perbedaan yang signifikandari effisiensi volumetrik dari masing-masing komposisi.
KESIMPULAN Dengan karakteristik coolant yaitu boiling pointnya mencapai 165 C mampu mendinginkan mesin sampai 7,37 % pada komposisi 75 % coolant Temperatur mesin rata-rata paling paling optimal terjadi pada komposisi 50 % coolant, yaitu sebesar 85,86 C. Temperatur mesin ini lebih rendah 1,5 % jika dibandingkan dengan mesin dengan bahan bakar bensin. Kandungan emisi gas HC relatif sama pada setiap komposisi cairan pengisi radiator, yaitu mengalami penurunan sekitar 13 % - 15 % jika dibandingkan dengan mesin berbahan bakar bensin. Kandungan gas CO pada variasi komposisi coolant relatif sama yaitu mengalami penurunan sekitar 48 % - 57 % jika dibandingkan dengan mesin berbahan bakar bensin. Kandungan gas CO2 pada variasi komposisi coolant relatif sama yaitu mengalami penurunan sekitar 11 % - 15 % jika dibandingkan dengan mesin berbahan bakar bensin.
SARAN Perlu adanya penambahan gas flowmeter, agar laju aliran massa udara dan laju aliran massa bahan bakar dapat diukur secara akurat. Perlu dilakukan tune up mesin agar mesin dalam keadaan prima saat diadakan pengujian sehingga data yang didapatkan menjadi lebih teliti.
TERIMA KASIH MOHON KRITIK DAN SARAN DEMI KESEMPURNAAN TUGAS AKHIR