BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Pencemaran udara yang diakibatkan oleh gas buang kendaraan bermotor pada akhir-akhir ini sudah berada pada kondisi yang sangat memprihatinkan dan memberikan andil yang terbesar dalam pencemaran udara secara total terutama di kota-kota besar negara berkembang. Salah satu polutan gas buang kendaraan bermotor yang ikut berpartisipasi dalam pencemaran udara adalah hidrokarbon. Bensin yang digunakan sebagai bahan bakar untuk kendaraan bermotor merupakan suatu campuran komplek antara hidrokarbon-hidrokarbon sederhana dengan sejumlah kecil,bahan tambahan non hidrokarbon bersifat sangat volatil yang sangat mudah menguap dan mengemisikan hidrokarbon ke udara. Hidrokarbon yang diemisikan tersebut merupakan polutan primer karena dilepaskan ke udara secara langsung oleh kendaraan bermotor baik pada saat pengisian bahan bakar maupun karena tidak sempurnanya pembakaran yang terjadi diruangbakar. Hidrokarbon merupakan komponen yang berperan dalam produksi oksidan fotokimia dimana berdasarkan struktur molekulnya dibedakan menjadi hidrokarbon alifatik aromatik dan alisklis. Hidrokarbon aromatik lebih berbahaya dibandingkan kedua jenis hidrokarbon lainnya. Campuran produk-produk sebagai akibat pembebasan hidrokarbon ke atmosfir akan mengganggu siklus fotolitik NO2 (Nitrogendioksida)yang disebut dengan smogfotochemical berupa gabungan 1
antara asap dan kabut, tentunya hal ini akan sangat mengganggu sarana transportasi baik darat, laut maupun udara karena terbatasnya jarak pandang. Karena dampak yang ditimbulkan akibat dibebaskannya hidrokarbon ke udara atmosfir, kiranya perlu dilakukan pengendalian terhadap emisi hidrokarbon terutama hidrokarbon yang dihasilkan saat motor belum mencapai temperatur kerjanya. Salah satu metode yang dapat dilakukan adalah dengan penambahan hidrogen sesaat setelah penyalaan dalam ruang bakar, dimana hidrokarbon yang belum terbakar di ruang bakar akan diikat oleh hidrogen tambahan, sehingga terjadi pembakaran lanjut yang akan menghasilkan gas buang yang lebih bersih. Ketersediaan sumber energi yang tidak terbarukan semakin langka dan pemanasan global terus meningkat yang mayoritas disebabkan pemakaian bahan bakar untuk kendaraan. Oleh karena itu dibutuhkan inovasi penggunaan energy alternatif yang lebih hemat dalam pemakaian dan lebih rendah emisi polusinya. Salah satu bentuk inovasi untuk efisiensi energi adalah menambahkan system Brown gas pada kendaraan. Sistem elektrolisis air yang ditambah katalisator (biasa disebut Brown gas) dapat menghasilkan hidrogen dan oksigen murni yang mempunyai nilai kalor dan oktan tinggi dan hasil pembakarannya tidak menimbulkan polusi. Apabila gas tersebut ditambahkan pada mesin bahan bakar solar atau bensin maka akan dapat meningkatkan kualitas pembakaran dikarenakan nilai oktan bahan bakar akan naik dan uap air yang terbentuk mampu mendinginkan mesin. Pada penelitian Horng RF. dkk. (2008), bahan bakar yang diperkaya hidrogen mampu menurunkan emisi gas NOx dan HC. Muhammadi dkk. (2007) 2
juga telah melakukan investigasi performa mesin dengan bahan bakar konvensional yang diinjeksi hidrogen dapat menghilangkan knock dan backfiring. Penelitian tersebut menerapkan tiga parameter perlakuan yaitu waktu pengapian, waktu injeksi dan rasio equivalen yang dioptimalkan sehingga mencapai efisiensi termal dan brake mean efective pressure yang baik serta emisi NOx rendah. Peneliti lain yaitu Susuki dan Sakurai (2006) mempelajari efek penambahan hidrogen pada mesin spark ignition (SI) dapat menaikkan efisiensi termal sebesar 14%, emisi NOx dapat berkurang hingga 95%. Sedangkan Goldwitz dan Heywood (2005) mengoptimalkan kondisi pembakaran pada mesin spark ignition dengan menambahkan hidrogen sebagai suplemen bahan bakar menaikkan efisiensi lebih dari 25%. Dari peneliti sebelumnya yaitu Verhelst dan Sierents (2001) telah membandingkan injeksi hidrogen pada mesin spark ignition dengan karburator dan mesin dengan sistem injeksi. Hasilnya adalah mesin fuel injection dengan penambahan hidrogen mempunyai daya lebih besar dan resiko backfiring lebih kecil. Penelitian-penelitian tersebut diatas menunjukkan adanya peluang hidrogen sebagai suplemen bahan bakar untuk memperbaiki kualitas pembakaran sehingga dapat meningkatkan performa mesin. Metode lain untuk menaikkan performa kendaraan adalah dengan injeksi air kedalam saluran masuk suplai campuran bahan bakar-udara. Pada uji coba kendaraan 225 cc spark ignition di LIPI memperoleh hasil penurunan emisi gas buang CO dan HC. Pada mesin diesel, injeksi air dapat mengurangi emisi NOx hingga 82% dan torsinya menjadi lebih besar diteliti oleh Chadwell dan Dingle (2008). Pada laporan Lanzafame (1999) injeksi air pada mesin spark ignition 3
dapat menghilangkan detonasi dan mengurangi NOx lebih dari 50%, angka oktan naik dan meningkatkan kerja mesin antara 30% sampai 50 %. Dengan system injeksi air dapat mendinginkan mesin karena panas laten air yang tinggi. Eksperimen lebih lanjut dilakukan oleh Labonte Motorsport dengan menambahkan air kedalam ruang bakar berhasil meningkatkan daya mesin yang semula 2000 KW menjadi 3800 KW. Hidrogen maupun uap air dapat sekaligus muncul pada keluaran system Brown gas. Komponen utama sistem Brown gas terdiri dari tabung berisi air dengan katalis, elektroda katoda dan anoda serta suplai tegangan listrik. Kandungan katalisator, luas permukaan elektroda, besar arus dan besar tegangan, sangat berpengaruh terhadap hasil gas yang akan diinjeksikan. Jika arus dinaikkan dan menimbulkan panas, maka keluaran gas akan mengandung uap air. Hal inilah yang dapat menjelaskan mengapa kendaraan setelah menempuh jarak tertentu menjadi tersendat, yaitu karena kandungan airnya sudah terlalu banyak meskipun pada kecepatan tertentu sistem alat Brown gas juga mampu memberi efek penghematan. Alat yang dijual dipasaran tidak dilengkapi dengan pengatur suplai gas yang dapat menyesuaikan dengan laju aliran bahan bakar, sehingga laju gas yang relatif tetap tersebut hanya efektif pada kecepatan tertentu. Pada sisi lain kandungan uap air yang seharusnya juga dapat meningkatkan performa mesin, justru dapat mengganggu proses pembakaran jika rasionya tidak seimbang dengan jumlah bahan bakar, apalagi jika uap tersebut berubah menjadi cair. Ozzie pada situs www.water4gas.com, mengatasi efek pencairan tersebut melalui elemen pemanas yang dipasang pada selang Brown gas, akan tetapi laju alirannya juga 4
masih belum terkontrol. Untuk itu perlu dilakukan penelitian tentang pengaruh penambahan hidrogen atau air pada mesin motor bakar dengan variabel rasio dan kecepatan putar mesin serta bagaimana merancang suplai injeksi hidrogen dan air dengan pengendalian arus listrik yang optimal untuk berbagai kecepatan putaran mesin. 1.2 Pokok Permasalahan Pokok permasalahan pada tugas akhir ini difokuskan pada : 1. Bagaimana memproduksi gas hidrogen dan oksigen melalui elektrolisis air yang lebih efisien, sehingga energi listrik yang diberikan optimal untuk menghasilkan produksi gas. 2. Bagaimana membuat sistem injeksi gas hasil elektolisis yang dapat dikendalikan tegangan dan arus listriknya, sehingga diperoleh rasio yang tepat untuk dapat meningkatkan kualitas pembakaran dan menurunkan polusi emisi gas buang pada berbagai kecepatan serta penggunaan energi listrik yang lebih efisien. 3. HHO Electrolizer adalah suatu alat untuk memisahkan atom hidrogen yang ada dalam air. Sebagaimana kita tahu, air mempunyai rumus kimia H2O yang terdiri dari 2 atom hidrogen dan 1 atom oksigen. Hidrogen dalam air dapat dipisah menggunakan proses elektrolisis maupun dengan frekwensi modulasi pulsa elektronik pada frekwensi tertentu (pulse width modulator). Hidrogen yang telah terpisah dalam air ini sangat mudah terbakar. Hidrogen ini disebut juga dengan hidroksida, hydroxide, HHO gas, dsbnya. 5
1.3 Pembatasan Masalah Dalam penulisan tugas akhir ini secara teknis pembatasan masalah yang diketengahkan adalah sebagai berikut: 1. Metode sistem injeksi hidrogen setelah proses pembakaran untuk membakar hidrokarbon disaluran buang. 2. Indikator hasil penelitian adalah perbaikan kualitas emisi gas buang. Sedangkan aspek torsi atau daya dan efisiensi mesin merupakan variabel yang akan dianalisis berdasarkan kemampuan produksi gas elektrolisis dan kebutuhan rasio campuran bahan bakar-udara serta kebutuhan nilai oktan. 3. Kontrol sistem secara elektronik dimaksudkan untuk pengaturan duty cycle PWM arus yang mempunyai korelasi langsung terhadap produk gas hasil elektrolisis, serta variabel lain seperti (konsentrasi katalis, luas elektroda, temperatur dan lain-lain) dianggap konstan dengan mempertimbangkan pendekatan kearah nilai optima. 4. Kenaikan temperatur akibat mesin tidak dikendalikan tetapi hanya dimanfaatkan untuk mempermudah reaksi elektrolisis 1.4 Tujuan Penulisan Tujuan dari penulisan tugas akhir ini adalah: 1. Mengetahui sistem suplai hidrogen pada kendaraan bermotor. 2. Mengetahui pengujian kemampuan sistem suplai hidrogen pada uji ketahanan, getaran dan adanya perubahan temperatur dan kontrol terhadap sistem operasi serta dampaknya terhadap semua komponen yang terlibat dalam sistem. 6
3. Merancang dan membuat sistem injeksi brown gas menggunakan elektrolisa air dengan pengaturan arus listrik pada tegangan dan membuat sistem injeksi. 4. Merancang dan membuat sistem injeksi brown gas menggunakan elektrolisa air dengan pengaturan arus listrik pada tegangan luas elektroda dan konsentrasi katalis yang tetap. 5. Mengoptimalkan rasio campuran bahan bakar-udara, hidrogen dan air, untuk meningkatkan performa mesin. Adapun manfaat dari hasil penelitian diharapkan dapat memberikan pengaruh pada kenaikan daya mesin, penghematan pemakaian bahan bakar tanpa mengganggu kinerja mesin dan mengurangi tingkat polusi dari emisi gas buang kendaraan. 1.5 Metode Penelitian Metodologi yang digunakan pada penulisan tugas akhir ini adalah: Observasi Dilakukan dengan cara studi literatur yang berhubungan dengan objek, atau mendatangi lokasi dan diskusi dengan teknisi, serta bimbingan melalui dosen pembimbing tersebut. Pendataan Dilakukan dengan cara pengumpulan berbagai teori pendukung serta data uji mesin. Laporan Dilakukan dengan cara analisa deskriptif yang dilakukan dengan sejumlah data statistik dan analisa matematis. 7
1.6 Sistematika Penulisan Pokok permasalahan penulisan tugas akhir ini adalah sitem injeksi hidrogen pada motor bakar, maka penulis menyusun dengan sistematika sebagai berikut : BAB I PENDAHULUAN Bab ini berisikan tentang latar belakang, pokok permasalahan, Pembatasan Masalah, Tujuan Penulisan, Metodologi Penelitian dan Sistematika Penulisan. BAB II TEORI Bab ini menjelaskan tentang bahan pustaka dan teori- teori dasar yang berhubungan dengan permasalahan yang akan dibahas pada tugas akhir ini. BAB III PEMBAHASAN PERHITUNGAN DAN ANALISA Bab ini menjelaskan tentang perhitungan dan penganalisaan data untuk mengetahui kemampuan sistem suplai hidrogen pada uji ketahanan, getaran dan adanya perubahan temperatur dan kontrol terhadap sistem operasi serta dampak terhadap semua komponen yang terlibat pada sistem. BAB IV PENUTUP Bab ini menjelaskan kesimpulan, dari hasil pengujian serta penganalisaan dari mesin dan saran dari penulis. 8