RANCANG BANGUN WATER INJECTION

RANCANG BANGUN WATER INJECTION BERBASIS MIKROKONTROLER SERTA PENGARUHNYA TERHADAP KONSUMSI BAHAN BAKAR DAN EMISI GAS BUANG (CO & HC) PADA SEPEDA MOTOR HONDA MEGA PRO TAHUN 2009 Rosyid Wahyu Zatmiko, Husin Bugis, Basori Program Studi Pendidikan Teknik Mesin, Jurusan Pendidikan Teknik dan Kejuruan, FKIP UNS Surakarta Kampus UNS Pabelan Jl. Ahmad Yani 200, Surakarta, Tlp/ Fax (0271) 718419 / (0271) 716266 E-mail: rosyidwz@gmail.com ABSTRACT The purposes of this research are to: (1) design water injection system, (2) know the fuel consumption, (2) know the CO exhaust emission, (3) know the HC exhaust emission on Honda Mega Pro 2009 that used microcontroller-based water injection with variations of distilled water and methanol mixture. The research was conducted in the Automotive Laboratory, Mechanical Engineering Education, JPTK FKIP UNS Surakarta, at Ahmad Yani Street, Number 200, Kartasura. This research used Stargas 898 gas analyzer to test CO (carbon monoxide) and HC (hydrocarbon) exhaust emission. Fuel consumption test used static method with specified engine speed. This research used experimental method. The population in this research was Honda Mega Pro 2009 motorcycles. The sample in this research was Honda Mega Pro 2009 with KC11E1237512 engine number. Data obtained from the testing result are inserted into the table and displayed in graphical form to be analyzed. Data analysis used descriptive quantitative method. The results of the research, can be concluded that: (1) Microcontroller-based water injection system can work properly and correctly. (2) There is a decrease in fuel consumption when use microcontroller-based water injection at 4500 RPM engine speed. The best decline occurred in water injection A60 when 4500 RPM engine speed amounted 11.80% compared with standard condition. (3) There is a decrease in CO exhaust emission on the use of water injection A100 and A90. The best decline occurred in water injection A100 amounted 79.42% compared with standard condition. In addition, there is an increase in CO exhaust emission on the use of water injection A80, A70, A60, A50, and A40. (4) There is an increase in HC exhaust emission on the use of water injection A100, A90, A80, A70, A60, A50, and A40. Keywords: water injection, microcontroller, fuel consumption, exhaust emission PENDAHULUAN Saat ini, transportasi tidak dapat dipisahkan dari kehidupan manusia. Salah satu jenis alat transportasi yang banyak digunakan oleh masyarakat Indonesia adalah sepeda motor. Jumlah sepeda motor di Indonesia pada tahun 2012 menurut Badan Pusat Statistik (BPS) adalah sebesar 76.381.183. Jumlah tersebut jauh melampaui jumlah mobil penumpang yang hanya sebesar 10.432.259. Jumlah sepeda motor yang bertambah banyak dimungkinkan menyebabkan konsumsi bahan bakar 1

minyak juga turut meningkat. Konsumsi bahan bakar minyak (BBM) jenis mogas (premium dengan kadar oktan 88) menurut Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral (ESDM) pada tahun 2010 mencapai 148.575.000 barel. Masyarakat dituntut untuk mengurangi konsumsi bahan bakar akibat ancaman krisis energi di masa depan. Selain isu ancaman krisis energi, isu pencemaran udara juga muncul akibat tingginya jumlah sepeda motor. Persentase emisi gas buang yang dihasilkan dari sumber pencemar transportasi di Indonesia diperkirakan terdiri dari karbon monoksida (CO) sebesar 70,50%, hidrokarbon (HC) sebesar 18,34%, nitrogen oksida (NOx) sebesar 8,89%, sulfur oksida (SOx) sebesar 0,88% dan partikel sebesar 1,33% (Wardhana, 2004). Data tersebut menunjukkan bahwa emisi gas buang karbon monoksida dan hidrokarbon mempunyai jumlah yang lebih tinggi daripada emisi gas buang lainnya. Gas CO dapat menjadi racun bagi manusia karena dapat mengikat hemoglobin (Hb) dalam darah dan membentuk karboksihemoglobin (COHb). COHb dalam darah mengganggu proses metabolisme tubuh karena mengganggu proses respirasi sel-sel pada tubuh manusia. Sementara itu, gas HC adalah komponen yang terdiri dari atom karbon dan atom hidrogen serta dapat berwujud gas, cairan, maupun padatan (Wardhana, 2004). Hidrokarbon aromatik lebih berbahaya daripada hidrokarbon alifatik dan alisiklis. Uapnya dapat menyebabkan iritasi pada membran mukosa, dan luka bagian dalam jika menghisap uap komponen aromatik. Berbagai upaya dilakukan masyarakat dalam rangka mengurangi konsumsi bahan bakar dan mengurangi emisi gas buang kendaraan bermotor salah satunya adalah sistem water injection. Water injection adalah istilah yang digunakan untuk upaya menginjeksikan cairan yang bertujuan mengurangi temperatur ruang bakar pada mesin melalui intake manifold. Penginjeksian butiran air pada ruang bakar melalui intake manifold bertujuan untuk mengurangi detonasi dan pengontrol emisi (Lanzafame, 1999). Air tersebut mengakibatkan suhu ruang bakar turun dan panas berpindah pada butiran air. Dalam perkembangan penggunaan water injection, cairan yang diinjeksikan dicampur dengan bahan lain seperti alkohol, etanol, maupun metanol pada perbandingan tertentu. Metanol dengan rumus CH3OH digunakan karena mempunyai indeks anti-knock yang tinggi, bersifat mendinginkan dan larut sempurna dalam air. Water injection pada sepeda motor menggunakan jarum suntik sebagai media penginjeksian cairan atau lebih dikenal dengan water injection stage-1. 2

Penggunaan water injection stage-1 menemui kendala yakni butiran air yang diinjeksikan tidak halus, penginjeksian cairan hanya bergantung pada kevakuman intake manifold, dan volume penyemprotan sulit dikendalikan sehingga kurang optimal. Penggunaan water injection dapat dioptimalkan dengan merancang suatu sistem otomatis yang mampu mengontrol sistem water injection agar dapat berfungsi optimal. Mikrokontroler dapat digunakan untuk mengontrol suatu sistem secara elektronik melalui pemrograman dan logika. Mikrokontroler dapat dimanfaatkan untuk mengontrol sistem water injection pada sepeda motor agar dapat berfungsi secara otomatis dan sesuai dengan kondisi mesin. METODE PENELITIAN Pada penelitian ini, metode yang digunakan adalah metode eksperimen. Variabel bebas dalam penelitian ini adalah komposisi perbandingan volume akuades dan metanol. Komposisi akuades dan metanol yang digunakan dalam penelitian ini yakni: a. Akuades 100% (A100) b. Akuades 90% ditambah metanol 10% (A90) c. Akuades 80% ditambah metanol 20% (A80) d. Akuades 70% ditambah metanol 30% (A70) e. Akuades 60% ditambah metanol 20% (A60) f. Akuades 50% ditambah metanol 50% (A50) g. Akuades 40% ditambah metanol 60% (A40) Variabel terikat dalam penelitian ini adalah konsumsi bahan bakar, emisi gas buang CO dan emisi gas buang HC pada sepeda motor Honda Mega Pro tahun 2009. Pengujian konsumsi menggunakan metode statis dengan putaran mesin sebagai variabel kontrol. Pengujian emisi gas buang menggunakan metode SNI 09-7118-2005 tentang cara uji kendaraan bermotor kategori L pada kondisi idle. Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Otomotif Program Studi Pendidikan Teknik Mesin, JPTK FKIP UNS. Populasi dalam penelitian ini adalah sepeda motor Honda Mega Pro tahun 2009. Sampel dalam penelitian ini adalah sepeda motor Honda Mega Pro tahun 2009 dengan nomor mesin KC11E1237512. Teknik pengambilan sampel dalam penelitian ini adalah teknik sampel bertujuan (purposive sampling). Metode pengambilan data menggunakan metode dokumentasi yang berasal dari print out/cetakan dari gas analyzer pada pengujian emisi gas buang serta catatan penghitungan waktu pada pengujian konsumsi bahan bakar. Instrumen penelitian yang digunakan yakni gas analyzer Stargas 898 untuk pengujian emisi gas buang dan stopwatch untuk 3

pengujian konsumsi bahan bakar. Analisis data menggunakan metode deskriptif kuantitatif. HASIL DAN PEMBAHASAN Berikut ini adalah hasil rancang bangun water injection berbasis mikrokontroler serta pengaruhnya terhadap konsumsi bahan bakar pada sepeda motor Honda Mega Pro tahun 2009: 1. Perancangan Sistem Water Injection Berbasis Mikrokontroler a. Instalasi Sensor Proximity Sensor proximity digunakan untuk mendeteksi posisi katup masuk dan ditempatkan di cover camshaft sebelah kiri. Gambar 1. Skema Pemasangan Sensor Proximity b. Instalasi Injektor Injektor Yamaha Mio J ditempatkan pada intake manifold serta mengarah menuju ruang bakar. c. Instalasi Sistem Water Injection Gambar 2. Skema Instalasi Sistem Water Injection Berbasis Mikrokontroler d. Pembuatan Rangkaian Regulator Tegangan Rangkaian berfungsi untuk menurunkan tegangan 12V DC menjadi 5V DC. e. Pembuatan Rangkaian Sistem Minimum Mikrokontroler Rangkaian merupakan perangkat dasar agar mikrokontroler AT89S51 dapat bekerja dengan baik. Rangkaian terdiri dari komponen utama yakni crystal oscillator dan kapasitor. f. Pembuatan Rangkaian Display 7- Segment Rangkaian berfungsi untuk menampilkan pulse width modulation pada sistem water injection. g. Pembuatan Rangkaian Penguat Injektor Rangkaian berfungsi sebagai penguat arus yang mengaktifkan injektor. Rangkaian menggunakan 4

Konsumsi Bahan Bakar (cc/menit) Konsumsi Bahan Bakar (cc/menit) komponen utama MOSFET IRFZ24N. h. Perancangan Program Mikrokontroler Langkah pertama dalam merancang program mikrokontroler adalah membuat diagram blok dan flow chart. Langkah selanjutnya adalah menulis program, compile program dan menanamkan/ write program pada mikrokontroler. 4.5 4 3.5 3 2.5 2 3.29 4.14 3.7 3.23 3.56 3.49 3.42 3.81 Gambar 5. Hubungan Konsumsi Bahan Bakar dan Penggunaan Water Injection pada Putaran Mesin 1500 rpm Konsumsi bahan bakar tertinggi saat putaran mesin 1500 rpm terjadi pada penggunaan water injection A100 yakni sebesar 4,14 cc/menit. Konsumsi bahan bakar terendah saat putaran mesin 1500 rpm terjadi pada penggunaan water injection A80 yakni sebesar 3,23 cc/menit. Gambar 3. Diagram Blok Sistem Water Injection Berbasis Mikrokontroler Mulai Inisialisasi 7-segment (data=0) TIDAK 7 6.5 6 5.5 5 4.5 5.68 6.3 5.93 5.62 5.53 5.49 5.27 6.52 Cek Pulsa Sensor Proximity 4 YA Cek Pulse Width Tampilkan ke 7-segment & olah data menjadi output injektor JMP Cek Pulsa Gambar 4. Diagram Alir Sistem Water Injection Berbasis Mikrokontroler 2. Konsumsi Bahan Bakar Gambar 6. Hubungan Konsumsi Bahan Bakar dan Penggunaan Water Injection pada Putaran Mesin 2500 rpm Konsumsi bahan bakar tertinggi saat putaran 2500 rpm terjadi pada penggunaan water injection A40 sebesar 6,52 cc/menit. Konsumsi bahan bakar terendah saat putaran mesin 2500 rpm 5

Konsumsi Bahan Bakar (cc/menit) Konsumsi Bahan Bakar (cc/menit) terjadi pada penggunaan water injection A50 sebesar 5,27 cc/menit. 8.5 8 7.5 7 6.5 6 7.44 8.15 7.63 7.01 7.32 6.98 Gambar 7. Hubungan Konsumsi Bahan Bakar dan Penggunaan Water Injection pada Putaran Mesin 3500 rpm Konsumsi bahan bakar tertinggi saat putaran mesin 3500 rpm terjadi pada penggunaan water injection A100 sebesar 8,15 cc/menit. Konsumsi bahan bakar terendah saat putaran mesin 3500 rpm terjadi pada penggunaan water injection A50 yakni sebesar 6,69 cc/menit. 11 10.5 10 9.5 9 8.5 8 6.69 10.59 10.53 10.2 10.48 10.11 9.34 6.97 9.63 9.79 Gambar 8. Hubungan Konsumsi Bahan Bakar dan Penggunaan Water Injection pada Putaran Mesin 4500 rpm kondisi standar. Konsumsi bahan bakar terendah saat putaran mesin 4500 rpm terjadi pada penggunaan water injection A60 yakni sebesar 9,79 cc/menit. Konsumsi bahan bakar pada penggunaan water injection A100 lebih tinggi daripada konsumsi bahan bakar pada kondisi standar saat putaran mesin 1500 rpm, 2500 rpm, dan 3500 rpm. Proses pembakaran campuran udara dan bahan bakar pada ruang bakar terganggu oleh akuades sehingga pembakaran berlangsung tidak sempurna sehingga mesin membutuhkan bahan bakar lebih banyak untuk mempertahankan putaran mesin. Konsumsi bahan bakar pada penggunaan water injection dengan penambahan metanol cenderung lebih rendah dibandingkan dengan konsumsi bahan bakar pada kondisi standar. Metanol bersifat mudah terbakar dan mempunyai nilai indeks anti-knock yang lebih tinggi dibandingkan bensin premium. Metanol yang terbakar akan meringankan kinerja mesin sehingga mesin tidak membutuhkan banyak bahan bakar untuk mempertahankan putaran mesin. Hal tersebut mengakibatkan konsumsi bahan bakar menurun pada penggunaan water injection dengan pencampuran metanol. Konsumsi bahan bakar tertinggi saat putaran mesin 4500 rpm terjadi pada 6

Emisi Gas Buang HC (ppm) Emisi Gas Buang CO (%) 3. Emisi Gas Buang 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 1.356 0.822 0.279 Gambar 9. Hubungan Emisi Gas Buang CO Rata-rata dengan Penggunaan Water Injection Emisi gas buang CO pada penggunaan water injection A100 dan A90 lebih rendah bila dibandingkan dengan emisi gas buang CO pada kondisi standar dan emisi gas buang CO pada penggunaan water injection dengan pencampuran metanol. Emisi gas buang CO pada penggunaan water injection A80 hingga A40 berangsur-angsur meningkat bila dibandingkan dengan emisi gas buang CO pada kondisi standar. Akuades dalam ruang bakar akan menyerap panas dalam ruang bakar sehingga suhu ruang bakar akan turun. Jika suhu ruang bakar turun maka reaksi penguraian karbon monoksida akibat suhu yang tinggi dapat dikurangi sehingga hal tersebut menyebabkan emisi gas buang CO pada penggunaan water injection A100 lebih rendah daripada emisi gas buang CO pada kondisi standar. 2.515 3.232 4.433 4.651 4.744 Pada penggunaan water injection dengan penambahan metanol, metanol turut terbakar bersama campuran udara dan bahan bakar. Namun, pembakaran tersebut tidak diimbangi dengan jumlah udara yang cukup sehingga menyebabkan pembakaran berlangsung tidak sempurna. Hal tersebut mengakibatkan pembentukan karbon monoksida akibat reaksi pembakaran metanol yang tidak sempurna. Karbon monoksida yang terbentuk akan keluar melalui knalpot dan mengakibatkan emisi gas buang CO meningkat. 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 168 1871 1943 1543 2491 3781 3869 3442 Gambar 10. Hubungan Emisi Gas Buang HC Rata-rata dengan Penggunaan Water Injection Emisi gas buang HC pada penggunaan water injection A100 lebih tinggi dibandingkan kondisi standar. Emisi gas buang HC pada penggunaan water injection A40 paling tinggi di antara seluruh pengujian. Penggunaan water injection dari A100 hingga A40 menimbulkan peningkatan emisi gas buang 7

HC bila dibandingkan dengan kondisi standar. Proses pembakaran campuran udara dan bahan bakar bensin pada ruang bakar terganggu oleh akuades sehingga pembakaran berlangsung tidak sempurna. Penambahan metanol pada saat pembakaran campuran udara dan bahan bakar semakin meningkatkan unsur hidrokarbon di dalam ruang bakar. Bahan bakar yang tidak terbakar berupa unsur hidrokarbon tersebut akan keluar melalui knalpot sehingga mengakibatkan emisi gas buang HC meningkat. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian, maka penelitian ini disimpulkan sebagai berikut: 1. Sistem water injection berbasis mikrokontroler dapat digunakan pada sepeda motor Honda Mega Pro tahun 2009. 2. Terdapat pengaruh positif penggunaan water injection berbasis mikrokontroler terhadap konsumsi bahan bakar Honda Mega Pro tahun 2009 yakni penurunan konsumsi bahan bakar pada putaran mesin 4500 rpm pada seluruh variasi komposisi akuades dan metanol. Penurunan konsumsi bahan bakar terendah terjadi pada penggunaan water injection A60 saat putaran mesin 4500 rpm yakni 11,80% lebih rendah dibandingkan kondisi standar. 3. Terdapat pengaruh negatif penggunaan water injection berbasis mikrokontroler terhadap konsumsi bahan bakar pada Honda Mega Pro tahun 2009 yakni peningkatan konsumsi bahan bakar saat putaran mesin 1500, 2500 dan 3500 rpm pada beberapa variasi komposisi akuades dan metanol tertentu. 4. Terdapat pengaruh positif penggunaan water injection berbasis mikrokontroler terhadap emisi gas buang CO Honda Mega Pro tahun 2009 yakni penurunan emisi gas buang CO pada water injection A100 dan A90. Penurunan terendah terjadi pada penggunaan water injection A100 yakni 79,42% lebih rendah dibandingkan kondisi standar. 5. Terdapat pengaruh negatif penggunaan water injection berbasis mikrokontroler terhadap emisi gas buang CO pada Honda Mega Pro tahun 2009 yakni peningkatan emisi gas buang CO pada water injection A80, A70, A60, A50 dan A40. B. Saran 1. Bagi pengguna sepeda motor dapat menggunakan sistem water injection untuk meningkatkan torsi dan daya mesin maupun mengurangi konsumsi 8

bahan bakar pada kendaraan, akan tetapi sebaiknya mengantisipasi peningkatan emisi gas buang CO dan HC dengan cara menambahkan perangkat untuk menurunkan emisi gas buang seperti catalytic converter. 2. Pengembangan sistem water injection berbasis mikrokontroler selanjutnya hendaknya ditambahkan perangkat untuk mengendalikan emisi gas buang seperti oxygen sensor. Oxygen sensor dapat digunakan sebagai sensor masukan/ input untuk mengetahui tingkat kesempurnaan pembakaran sehingga emisi gas buang dapat dikendalikan. 3. Pengembangan sistem water injection berbasis mikrokontroler selanjutnya hendaknya mengembangkan algoritma pemrograman mikrokontroler agar fungsi water injection lebih optimal dan sesuai dengan kebutuhan/ kondisi mesin. 4. Bagi penelitian selanjutnya yang berkaitan dengan sistem water injection berbasis mikrokontroler hendaknya melakukan penelitian dengan mengubah variabel bebas, misalnya pengaruh waktu pengapian atau pengaruh rasio kompresi terhadap konsumsi bahan bakar serta emisi gas buang CO dan HC pada sepeda motor pada penggunaan water injection berbasis mikrokontroler. Selain itu, penelitian selanjutnya diharapkan melakukan pengujian emisi gas buang NOx pada penggunaan water injection berbasis mikrokontroler. DAFTAR PUSTAKA As adi, Muhammad. (2011). Uji Pemasangan Brown Gas terhadap Performa Motor Bensin Empat Langkah. Jakarta: Fakultas Teknik UPN Veteran Jakarta. Atmel, (2008). AT89S51. Diperoleh dari http://www.atmel.com/images/doc 2487.pdf Badan Pusat Statistik. (2012). Jumlah Pesawat dan Kendaraan Bermotor Menurut Jenisnya Tahun 1949 2012. Diperoleh 5 Maret 2014, dari http://www.bps.go.id/tab_sub/vie w.php?kat=2&tabel=1&daftar=1& id_subyek=17&notab=25 Badan Standardisasi Nasional. (2005). Emisi Gas Buang Sumber Bergerak Bagian 3: Cara Uji Kendaraan Bermotor Kategori L pada Kondisi Idle. Jakarta: Dewan Standardisasi Nasional. Boretti, Alberto. (2012). Water Injection in Directly Injected Turbocharged Spark Ignitoin Engines. Applied Thermal Engineering 52 (2013) 62e68. Diperoleh 8 Maret 2014 dari: www.elsevier.com/locate/aptherm eng Daniel, R., Wang, C., Xu, H., Tian, G. et al. (2012). Dual-Injection as a Knock Mitigation Strategy Using Pure Ethanol and Methanol. SAE International: Jurnal tidak dipublikasikan. Fardiaz, S. (1992). Polusi Air dan Udara. Yogyakarta: Kanisius. 9

Ganesan, V. (2006). Internal Combustion Engines (2th ed.). New Delhi: McGraw-Hill Heywood, John B. (1988). Internal Combustion Engine Fundamentals. New York: McGraw-Hill. Jama, Jalius, Wagino. (2008). Teknik Sepeda Motor Jilid 1. Jakarta: Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan, Direktorat Jenderal Manajemen Pendidikan Dasar dan Menengah, Departemen Pendidikan Nasional. Jurgen, Ronald K. (1994). Automotive Electronic Handbook. New York: Mc Graw Hill Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral. (2012). Statistik Minyak Bumi 2012. Diperoleh 1 Maret 2014, dari http://www.esdm.go.id/statistik/da ta-sektor- esdm/doc_download/1256- statistik-minyak-bumi-2012.html Kementerian Lingkungan Hidup. (2006). Ambang Batas Emisi Gas Buang Kendaraan Bermotor Lama. Jakarta: Kementerian Lingkungan Hidup. Kurdi, Ojo, Arijanto. (2007). Aspek Torsi dan Daya pada Mesin Sepeda Motor 4 Langkah dengan Bahan Bakar Campuran Premium- Metanol. Semarang: UNDIP Kurniawan, Sigit Pramono. (2009). Pengaruh Water Injection pada Performa Sepeda Motor Empat Langkah. Skripsi. Surakarta: Universitas Muhammadiyah Surakarta. Engine. SAE Thecnical Papers Series.1999-01-0568 Mulyanto, A.R, dkk. (2008). Rekayasa Perangkat Lunak Jilid 1. Jakarta : Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan, Direktorat Jenderal Manajemen Pendidikan Dasar dan Menengah, dan Departemen Pendidikan Nasional Putra, Agfianto Eko. (2002). Belajar Mikrokontroler AT89C51/52/55. Yogyakarta: Gava Media Rajput, R.K. (2005). A Text Book of Internal Combustion Engine. Laxmi Publications. Saftari. (2005). Water Injection Stage-1. Diperoleh 16 Maret 2014 dari http://www.saft7.com/waterinjection-stage-1/ Sudirman, Urip. (2008). Hemat BBM dengan Air. Jakarta: Kawan Pustaka Syahrul. (2012). Mikrokontroler AVR Atmega 8535. Bandung: Informatika Wardhana, W. A. (2004). Dampak Pencemaran Lingkungan. Yogyakarta: Andi. Wardono, Herry dan Raharjo, Yulliarto. (2009). Pengaruh Penggunaan Water Injection terhadap Prestasi Motor Bensin 4-Langkah Skala Laboraturium dalam Prosiding Seminar Sehari Hasil-Hasil Penelitian dan Pengabdian Masyarakat, Bandar Lampung: UNILA Lanzafame, R. (1999). Water Injection Effects In A Single-Cylinder CFR 10