KARAKTERISASI PERFORMA MESIN SISTEM DUAL FUEL MENGGUNAKAN PRESSURE REDUCER ADAPTIVE DENGAN VARIASI KONSTANTA (k) PEGAS HELIX TEKAN DAN TEKANAN GAS KELUAR PADA STAGE DUA Dori Yuvenda 1) dan Bambang Sudarmanta 2) 1) Program Studi Magister Rekayasa Energi, Falkultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Jl. Keputih, Sukolilo, Surabaya 60111 e-mail: 1) Doriyuvenda@rocketmail.com, 2) Sudarmanta@me.its.ac.id 2) Jurusan Teknik Mesin, Institut Teknologi Sepuluh Nopember ABSTRAK Pressure reducer pada sistem dual fuel berfungsi menurunkan tekanan bahan bakar CNG sebesar 250 bar menjadi tekanan kerja sebesar 2 bar tetapi kurang adaptif saat penyuplaian jumlah bahan bakar CNG. Penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan performa dari pressure reducer agar lebih responsif pada perubahan kondisi mesin terutama saat akselarasi pada penambahan beban sehingga berpengaruh terhadap peningkatan performa mesin. Penelitian ini menggunakan mesin Diamond type Di 800 dengan sistem dual fuel model indirect injection. Metode yang dilakukan adalah menvariasikan konstanta pegas (25,55 N/m, 26,55 N/m, dan 27,55 N/m) dan tekanan gas keluar pada stage dua (1,5 bar, 2 bar, dan 2,5 bar). Hasil terbaik didapatkan pada konstanta pegas 27,55 N/m dan tekanan 2,5 bar dengan peningkatan jumlah laju aliran gas 7,42% dengan tidak berpengaruh signifikan pada daya efektif mesin, torsi, bmep jika dibandingkan dengan singel fuel, dengan peningkatan SFC dual fuel rata-rata sebesar 72% kg/hp.h, penurunan solar tersubsitusi ratarata sebesar 59%, dan penurunan efisiensi termal rata-rata sebesar 69%. Kata kunci: Pressure reducer, mesin diamond type Di 800, konstanta pegas, tekanan gas keluar PENDAHULUAN Sistem dual fuel adalah sebuah sistem pada motor diesel yang menggunakan bahan bakar ganda yang penggunaanya diinjeksikan secara bersamaan. Pada sistem dual fuel tidak terlepas dari conversion kit yang berfungsi untuk mendistribusikan gas CNG dari tabung yang bertekanan sebesar 250 bar ke ruang bakar motor diesel dengan tekanan kerja sebesar 2 bar. Conversion kit meliputi tabung CNG, filling valve, selenoid valve, pressure reducer, filter CNG dan manifold absolut pressure serta CNG injector. Conversion kit juga dilengkapi dengan kontrol modul/electronic control unit sehingga penginjeksian bahan bakar disesuaikan dengan kondisi putaran mesin. Namun pada kenyataaanya, aplikasi sistem dual fuel pada mesin menimbulkan permasalahan terhadap penurunan performa mesin terutama kondidi akselerasi saat penambahan kecepatan pada otomotif dan penambahan beban pada genset. Salah satu penyebab utama adalah kekurangan pasokan bahan bakar CNG ke ruang bakar pada saat kondisi mesin membutuhkan suplai bahan bakar CNG yang banyak [1]. A-1-1
Angkasa [2], melakukan penelitian dengan variasi tekanan keluar dari pressure reducer dan derajat pengapian terhadap performa mesin sinjai dengan sistem bahan bakar bi-fuel (bensin- CNG) menyimpulkan bahwa terjadi penurunan performa mesin akibat dari kekurangan pasokan bahan bakar gas pada saat kondisi akselerasi. Di antara peralatan Conversion kit yang berperan utama dalam pemasok bahan bakar CNG adalah pressure reducer. Pressure reducer selain berfungsi untuk menurunkan tekanan dan juga sebagai pengontrol jumlah pasokan aliran gas (mass flow rate) yang diinjeksikan ke ruang bakar. Untuk itu, dibutuhkan pressure reducer yang adaptif terhadap perubahan yang terjadi pada kondisi mesin sehingga dapat mengatasi permasalahan tersebut, maka perlu pengembangan pada pressure reducer dengan cara menganalisa komponen-komponen dan cara kerjanya. Matheson [3], menjelaskan bahwa cara kerja dari pressure reducer adalah memanfaatkan keseimbangan gaya dengan melalui tiga tahap yaitu loading elemant, sensing element dan control element. Peluang terbesar yang bisa dilakukan untuk pengembangan pada loading element. Pada tahap ini terdapat pegas sebagai komponen aktuator yang berfungsi sebagai pengatur bukaan dari needle valve. Lamanya bukaan dari needle valve pada dudukan seat valve akan mempengaruhi tekanan dan aliran yang masuk ke area downstream (chamber dua) yang berhubungan langsung dengan outlet gas. Pada saat konstanta (k) pegas ditinggikan maka sensivitas dari pegas meningkat sehingga akan memperlama waktu bukaan dan mempercepat pembukaan needle valve pada saat chamber dua terjadi pengurangan tekanan ketika gas diinjeksikan secara tiba-tiba oleh injektor rail sehingga area chamber dua tetap terpenuhi. Berdasarkan cara kerja pressure reducer diatas bahwa jumlah pasokan bahan bakar gas (mass flow rate) yang masuk ke ruang bakar mesin dapat diperbanyak dengan cara meningkatkan kekakuan pegas agar bekerja lebih responsif terhadap kondisi mesin tertentu sehingga berpengaruh terhadap performa mesin. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengkarakterisasi performa mesin terutama pada saat akselerasi penambahan beban genset dengan mengoptimalkan konstanta (k) pegas helix tekan dan tekanan gas keluar pada stage dua. METODE Penelitian ini dilakukan dengan motode eksperimental. Pengujian dilakukan pada mesin yang poros utama (main shaft) dari engine yang dipakai sebagai alat uji dihubungkan langsung dengan generator. Metode pengujian pada penelitian ini dibagi menjadi dua kelompok sebagai berikut: pengujian single fuel engine dengan bahan bakar solar sebagai kelompok pengontrol dan pengujian dual fuel engine dengan bahan bakar dengan bahan bakar solar dan CNG sebagai kelompok uji. Mesin yang digunakan adalah mesin diesel diamond type DI 800 sistem dual fuel dengan kemampuan daya maksimal sebesar 6 KW dengan continous power sebesar 5,02 KW. Pembebanan yang digunakan menggunakan lampu pijar sebanyak delapan buah dengan konsumsi daya masing-masing lampu sebesar 500 watt yang tersusun paraler yang dilengkapi dengan saklar untuk pengaturan beban. Bahan bakar CNG yang digunakan pada penelitian ini dengan nilai kalor bawah sebesar 10799 kcal/kg. Proses pemasukan bahan bakar CNG dengan sistem dual fuel menggunakan model inderect injection yang dikontrol secara elektronik dengan pertimbangan sagar bahan bakar CNG yang diinjeksikan melalui intake manifold disesuaikan dengan pembebanan lampu yang diberikan. Adapun layout dari sistem duel fuel sebagai berikut: A-1-2
Gambar 1. Layout skema pengujian Prosedur pengujian ini dilakukan dengan memvariasikan konstanta pegas sebesar 25,77 N/m hingga 27,77 N/m dengan interval 1 N/m dan tekanan keluar sebesar 1,5 bar hingga 2,5 bar dengan interval 0,5 bar pada pressure reducer. Setiap satu variasi konstanta pegas dan tekanan keluar dilakukan pembebanan secara bertahap dari beban 500 Watt hingga 4000 Watt dan setiap tahap pembebanan dilakukan pengambilan data. Data yang diambil dibagi dua kelompok. Kelompok pertama pada pressure reducer antara lain tekanan (inlet, stage satu, stage dua, dan outlet), dan mass flow rate CNG pada oulet gas. Kelompok kedua pada mesin antara lain laju alir udara, waktu konsumsi minyak solar setiap 25 ml, temperatur: mesin diesel, gas buang, minyak pelumas, cairan pendingin, arus dan tegangan. Selama pengujian berlangsung putaran mesin dijaga konstan pada 1500 rpm dan. Untuk layout pengujian sebagai berikut: Gambar 2. Layout skema pengujian Untuk pengujian pertama dilakukan pada singel fuel sebagai data standart sebagai data pembanding menggunakan sistem dual fuel. A-1-3
HASIL DAN PEMBAHASAN Analisa Performa Pressure Reducer Adaptive bar 40 35 30 25 20 15 10 5 0 P. Inlet P. Stage 1 P. Stage 2 P. Outlet Konstanta 25.77 N/m 40 5.05 1.5 1.8 Konstanta 26.77 N/m 40 5.05 1.7 2 Konstanta 27.77 N/m 40 5.05 1.9 2.2 Gambar 3. Pengaruh Konstanta pegas terhadap tekanan pada pressure reducer Pada gambar 3, secara umum menunjukkan bahwa pada tekanan inlet dan stage satu konstan sedangkan pada pada stage dua dan tekanan oulet gas terjadi kenaikan tekanan secara linear ketika konstanta pegas pada stage dua ditingkatkan. Ini mebuktikan bahwa ketika konstanta pegas pada stage dua ditingkatkan waktu pembukaan dari needle valve akan lebih panjang sehingga terjadi peningkatan tekanan pada chamber yang akan berpengaruh terhadap penyuplaian pasokan bahan bakar CNG dimana semakin tinggi tekanan pada stage dua maka akan semakin banyak pasokan bahan bakar CNG yang akan di injeksikan oleh injector rail. Gambar 4. Pengaruh konstanta pegas terhadap mass flow rate gas pada pressure reducer Gambar 4, secara umum menunjukkan bahwa tejadi peningkatan laju aliran CNG (mass flow rate) pada oulet pressure reducer ketika konstanta pegas ditingkatkan. Ini membuktikan bahwa ketika kontanta pegas ditingkatkan maka akan memperlama waktu bukaan dari needle valve sehingga mass flow rate lebih banyak masuk ke chamber dua sehingga akan berdampak pada laju aliran pada outlet. Kemudian dengan peningkatan konstanta pegas akan mempercepat sensivitas refleksi dari pegas ketika terjadi pengosongan mass flow rate di chamber dua pada saat bahan bakar CNG di injeksikan secara tiba-tiba sehingga mass flow rate pada chamber dua bisa tetap terpenuhi secara konstan. Dengan demikian pressure reducer lebih adaptif terhadap kondisi akselerasi penambahan kecepatan dan penambahan beban pada genset. A-1-4
Analisa Performa Mesin Daya (Ne) Gambar 5. Grafik daya terhadap beban Pada gambar 5, Secara umum menujukkan bahwa terjadi peningkatan daya efektif sejalan dengan penambahan beban listrik. Pada saat penambahan beban listrik akan menyebabkan peningkatan daya pada mesin seiring dengan penambahan bahan bakar dan udara untuk mempertahankan putaran mesin tetap konstan pada 1500 rpm. Pada saat penambahan bahan bakar yang banyak dan udara yang ideal sehingga semakin banyaknya energi yang dikonversi menjadi enegi panas akibat dari ledakan pembakaran yang besar kemudian dirubah menjadi gerak translasi oleh piston (mekanik). Pada semua variasi konstanta pegas dan tekanan gas keluar pada stage dua tidak terlihat perbedaan yang signifikan dibandingkan dengan standart. Hal ini terlihat semua grafik berhimpitan dan kecilnya persentase selisih kenaikan rata-rata pada setiap variasi. Walaupun demikian dengan konstanta pegas yang tinggi mampu memberikan pasokan bakan bakar yang banyak sehingga energi yang masuk lebih banyak dikonversi menjadi energi panas dan mekanik. Analisa Torsi Gambar 6. Grafik torsi terhadap beban Pada gambar 6, Secara umum menunjukkan bahwa terjadi kenaikan torsi seirng dengan penambahan beban. Pada saat penambahan beban maka semakin besar energi yang masuk untuk mengatasi beban dan mempertahankan putaran agar tetap konstan sehingga A-1-5
semakin besar energi panas yang dihasilkan. Energi kalor bahan bakar yang diubah menjadi energi mekanik akan bertambah besar, yang merupakan representasi gaya dorong pada piston. Bila gaya dorong pada piston besar, maka torsi juga akan besar. Dengan konstanta pegas dan tekanan gas keluar yang tinggi mampu memberikan energi masuk yang lebih banyak sehingga energi panas yang diubah menjadi energi mekanik akan lebih besar. Analisa BMEP Gambar 7. Grafik BMEP terhadap beban Tekanan efektif rata-rata merupakan tekanan tetap teoritis yang bekerja sepanjang langkah volume piston sehingga menghasilkan daya yang besarnya sama dengan daya efektif. Pada gambar 7, menunjukkan bahwa kenaikan daya dan torsi juga diikuti dengan kenaikan BMEP seiring dengan penambahan beban. Ini membuktikan bahwa energi kalor kalor bahan bakar yang banyak dan udara yang cukup, mampu menghasilkan tekanan yang sangat besar dari hasil pembakaran. Analisa Specific Fuel Consumption (SFC) Gambar 8. Grafik SFC single fuel dan dual fuel terhadap beban Konsumsi bahan bakar spesifik (SFC) adalah jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan satu satuan daya dalam waktu satu jam. Besar atau kecilnya SFC ditentukan oleh sempurna atau tidak sempurnanya campuran bahan bakar dan udara di ruang bakar. Pada gambar 8, secara menunjukkan terjadi penurunan SFC pada saat penambahan A-1-6
beban cenderung mengalami penurunan sampai titik puncak minimum. Kemudian akan mengalami kenaikan pada saat beban ditambah pada titik tertentu. Pada gambar 8, juga menunjukkan bahwa terjadi peningkatan sfc pada konstanta rendah. Hal ini disebabkan karena peningkatan konsumsi bahan bakar solar untuk mempertahankan putaran seiring dengan penambahan beban. Analisa Solar Tersubsitusi Gambar 9. Grafik solar tersubsitusi terhadap beban Solar tersubsitusi adalah jumlah persentase minyak solar yang digantikan oleh CNG setiap penambahan beban listrik. Setiap kenaikan laju aliran massa CNG maka jumlah persentase bahan bakar solar yang diinjeksikan ke ruang bakar akan semakin turun. Dengan demikian semakin banyak jumlah persentase CNG untuk menggantikan bahan bakar solar. Secara umum persentase kenaikan bahan bakar CNG akan semakin meningkat sejalan dengan penambahan beban listrik dan akan mencapai titik puncak maksimum pada beban tertentu. Pada gambar 9, menunjukkan bahwa pada variasi peningkatan konstanta pegas dan tekanan gas keluar lebih banyak menggantikan jumlah persentase jumlah bahan bakar solar rata-rata sebesar 59%. Hal ini menyebabkan bahwa terjadi peningkatan laju aliran bahan bakar CNG yang masuk ke ruang bakar untuk menggantikan bahan bakar solar. Analisa Efisiensi Termal Gambar 10. Grafik efisiensi termal terhadap beban A-1-7
Effisiensi termal adalah nilai besarnya energi panas yang dimanfaatkan yang tersimpan dalam bahan bakar untuk diubah menjadi daya efektif oleh motor pembakaran dalam. Pada gambar 10, secara umum menunjukkan bahwa terjadi penurunan efisiensi termal rata-rata sebesar 69% dibandingkan single fuel. Hal ini disebabkan karena LHV dari CNG kecil dari solar sehingga membutuhkan bahan bakar yang banyak untuk mempertahankan putaran seiring dengan penambahan beban. Akibatnya air fuel ratio menjadi lebih kecil sehingga campuran menjadi kaya. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan dari hasil penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Variasi konstanta pegas pada stage dua dengan 27,77 N/m mempengaruhi peningkatan rata-rata tekanan pada stage dua pressure reducer adaptive sebesar 21,05 % terhadap pegas standart. 2. Variasi konstanta pegas pada stage dua dengan 27,77 N/m mempengaruhi peningkatan rata-rata mass flow rate sebesar 7,42 % terhadap pegas standart. 3. Penggunaan peningkatan variasi konstanta pegas secara keseluruhan tidak berpengaruh signifikan terhadap daya, torsi, dan BMEP bila dibandingkan single fuel. 4. Pengaruh peningkatan variasi konstanta pegas secara signifikan berpengaruh terhadap peningkatan SFC dual fuel rata-rata sebesar 72%, Solar tersubsitusi 59%, dan eficiency thermal rata-rata sebesar 69%. Saran untuk penelitian selanjutnya adalah: 1. Untuk melakukan pengembangan pressure reducer adaptive dengan sistem kontrol menggunakan sistem elektronik. 2. Untuk melakukan penelitian dengan penambahan udara luar mengguanakan blower atau turbocharger untuk menaikan AFR pada sistem dual fuel. DAFTAR PUSTAKA [1] Bilcan, A., LeCorre, O., & Tazerout, M. (2001), Characterization of the LPG diesel dual fuel combustion, SAE Technical Paper, hal. 28-36. [2] Angkasa, A. (2014), Optimasi Kinerja Mesin Sinjai Bi-Fuel Bensin dan Compressed Natural Gas (CNG) dengan Variasi Tekanan Masuk dan Derajat Pengapian, Tesis Magister, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. [3] Matheson. (2014), Guide to regulator. USA: Matheson Tri-Gas, Inc. A-1-8