KAJIAN PERFORMANSI MESIN GENSET DIESEL SATU SILINDER DENGAN BAHAN BAKAR CAMPURAN SOLAR DAN BIOMASSA SERBUK KULIT PADI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik RIKY STEPANUS SITUMORANG NIM : 090401040 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014
ABSTRAK Ketergantungan masyarakat terhadap bahan bakar minyak sangat tinggi. Disamping itu kelangkaan bahan bakar minyak dan harga minyak yang tinggi juga memperkeruh keadaan ini. Pemanfaatan biomassa sebagai energi alternatif campuran bahan bakar merupakan hal yang tepat untuk menghemat penggunaan minyak. Oleh karena itu, penulis melakukan pengujian menggunakan bahan bakar campuran solar dan biomassa serbuk kulit padi pada generator set Dong Fa model R 175 A. Adapun tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui perbandingan unjuk kerja mesin diesel menggunakan bahan bakar solar dan campuran serbuk kulit padi sehingga akan terlihat pengaruhnya terhadap parameter performansi mesin diesel. Penelitian ini juga untuk melihat kadar emisi gas buang mesin diesel. Dari hasil penelitian diperoleh bahwa nilai kalor, AFR, dan efesiensi thermal brake semakin menurun. Nilai Opasitas, Daya, Torsi, dan SFC semakin meningkat. Kata kunci : Mesin Diesel, Bahan Bakar Diesel, Serbuk Kulit Padi, Performansi Mesin Diesel i
ABSTRACT Society 's dependence on fuel is very high. Besides, the scarcity of fuel and its prices also worsen the situation. Utilization of biomass as an alternative energy fuel mix is the right thing to save the use of fuel. Therefore, the authors conducted a test using a mixture of diesel fuel and biomass bran powder on Dong Fa generator set models R 175 A. The purpose of this study is to compare the performance of a diesel engine using diesel fuel and a mixture of bran powder so it will look its effect on diesel engine performance parameters. This study is also to look at the levels of exhaust emissions of diesel engines. The result showed that the calorific value, AFR, and brake thermal efficiency decreases. Opacity value, Power, Torque, and SFC is increasing. Keywords : Diesel Engines, Diesel Fuel, Skin Rice Powder, Diesel Engine Performance ii
KATA PENGANTAR Puji dan syukur saya ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas berkat, kasih, kekuatan dan kesehatan yang diberikan selama pengerjaan skripsi ini, sehingga skripsi ini dapat saya selesaikan. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu Kajian Performansi Mesin Genset Diesel Satu Silinder Dengan Bahan Bakar Campuran Solar Dan Serbuk Kulit Padi Dalam penulisan skripsi ini tidak sedikit hambatan yang dihadapi oleh penulis. Untuk itu penulis secara khusus menyampaikan terima kasih kepada dosen pembimbing Bapak Dr. Eng Himsar Ambarita ST. MT, yang telah bersedia meluangkan waktunya untuk memberikan saran dan membimbing serta sumbangan pikiran bagi penulisan skripsi ini. Selama penulisan skripsi ini, penulis juga mendapat banyak bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu penulis juga mengucapkan terima kasih kepada: 1. Kedua Orang Tua Saya J. Situmorang dan H. Br. Manihuruk yang mendoakan dan mendukung penulis dalam pengerjaan Skripsi ini 2. Bapak Dr.Ing.Ir.Ikwansyah Isranuri, selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 3. Bapak Tulus Burhanuddin Sitorus ST. MT dan Bapak Ir. A. Halim Nasution M.Sc. sebagai dosen Pembanding saya yang membantu saya menyempurnakan tugas akhir ini. 4. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin USU. 5. Saudaraku yang tercinta, kakak Widya Yanti Situmorang. Abang saya Jimmy Perianto Situmorang Dan Luhut Adi Situmorang Untuk doa-doa, dana, dan dukungan dalam menyelesaikan skripsi ini. 6. Seluruh teman-teman penulis, baik teman satu angkatan 2009 juga temanteman yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah menemani dan memberikan masukan serta semangat kepada penulis iii
7. Teman-teman Tim Horas USU yang sama-sama berjuang dalam pengerjaan mobil mesin USU. 8. Teman-Teman Kelompok Kecil Saya HTW, SINCERA, dan JEFLO yang mendorong, memotivasi dan mendoakan penulis dalam penyelesaian Skripsi ini. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi penyempurnaan dimasa mendatang. Akhirnya penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Terima kasih. Medan, Januari 2014 Penulis Riky Stepanus Situmorang NIM. 090401040 iv
DAFTAR ISI ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI... iv DAFTAR GAMBAR... vii DAFTAR TABEL... viiii DAFTAR NOTASI... xiii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Tujuan Pengujian... 2 1.3 Batasan Masalah... 2 1.4 Manfaat Penelitian... 3 1.5 Metodologi Penulisan... 3 1.6 Sistematika Pengujian... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Biomassa... 5 2.2 Komposisi Bahan Baku... 6 2.3 Sejarah Penggunaan Bahan Bakar Padat Pada Mesin Pembakaran Dalam... 7 2.4 Mesin Diesel... 11 2.3.1 Prinsip Kerja Mesin Diesel... 13 v
2.3.2 Performansi Mesin Disel... 15 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat... 20 3.2 Alat dan Bahan... 20 3.2.1 Alat... 20 3.2.2 Bahan...... 25 3.3 Metode Pengumpulan data... 25 3.4 Metode Pengolahan data... 25 3.5 Pengamatan dan Tahap Pengujian... 25 3.6 Prosedur Pengujian Performansi Mesin Diesel... 26 3.7 Prosedur Pengujian Emisi Gas Buang... 28 BAB IV HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN 4.1 Daya... 30 4.1.1 Besarnya Daya Pada Bahan Bakar Solar Murni... 30 4.1.2 Daya Besarnya Daya Pada Bahan Bakar Solar 99% + SerbukPadi 1%... 32 4.1.3 Daya Besarnya Daya Pada Bahan Bakar Solar 97,5% + SerbukPadi 2,5%... 34 4.1.4 Daya Besarnya Daya Pada Bahan Bakar Solar 95% + SerbukPadi 5%... 37 4.2 Torsi... 41 vi
4.2.1 Besarnya Torsi Pada Bahan Bakar Solar Murni... 41 4.2.2Besarnya Torsi Pada Bahan Bakar Solar 99% + Serbuk Padi 1%... 43 4.2.3 Torsi 2Besarnya Torsi Pada Bahan Bakar Solar 97,5% + Serbuk Padi 2,5%... 45 4.2.4 2Besarnya Torsi Pada Bahan Bakar Solar 95% + Serbuk Padi 5%... 47 4.3 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC)... 62 4.3.1 Besarnya SFC Pada Bahan Bakar Solar Murni... 62 4.3.2 Besarnya SFC Pada Bahan Bakar Solar 99 %+ Serbuk Padi 1%... 64 4.3.3 Besarnya SFC Pada Bahan Bakar Solar 97,5% + Serbuk Padi 2,5%... 66 4.3.4 Besarnya SFC Pada Bahan Bakar Solar 95%+ Serbuk Padi 5%... 69 4.4 Rasio Udara Bahan Bakar (AFR)... 65 4.4.1 Besarnya AFR Pada Bahan Bakar Solar Murni... 67 4.4.2 Besarnya AFR Pada Bahan Bakar Solar 99%+ Serbuk Padi 1%... 70 4.4.3 Besarnya AFR Pada Bahan Bakar Solar 97,5%+ Serbuk Padi 2,5%... 73 4.4.4 Besarnya AFR Pada Bahan Bakar Solar 95%+ Serbuk Padi 5%... 75 4.5 Efisiensi Thermal Brake... 80 vii
4.5.1 Besarnya Efesiensi Thermal Brake Pada Bahan Bakar Solar Murni... 80 4.5.2 Besarnya Efisiensi Thermal Brake Pada Bahan Bakar 82 Solar 1%+ Serbuk Kulit Padi 1 %... 4.5.3 Besarnya Efisiensi Thermal Brake Pada Bahan Bakar 84 Solar 97,5%+ Serbuk Kulit Padi 2,5 %... 4.5.4 Besarnya Efisiensi Thermal Brake Pada Bahan Bakar 87 Solar 95%+ Serbuk Kulit Padi 5 %... 4.6 Hasil Pembakaran... 90 4.7 Emisi Gas Buang... 94 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan... 96 5.2 Saran... 97 DAFTAR PUSTAKA... xvii LAMPIRAN... xviii viii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Teknologi Konversi Biomassa... 6 Gambar 2.2 Diagram P-V... 12 Gambar 2.3 Diagram T-S... 13 Gambar 2.4 Prinsip Kerja Mesin Diesel... 15 Gambar 3.1 Genset Dong Fa Model R 175... 20 Gambar 3.2 OTC Tecnotest Smokemeter... 21 Gambar 3.3 Tachometer... 22 Gambar 3.4 Multimeter... 23 Gambar 3.5 Mesin Pengayak... 24 Gambar 3.6 Diagram Alir Pengujian Performansi Mesin Diesel... 27 Gambar 3.7 Diagram Alir Prosedur Pengujian Emisi Gas Buang... 30 Gambar 4.1 Grafik Daya Vs Putaran pada beban 400 Watt untuk setiap bahan bakar... 39 Gambar 4.2 Grafik Daya Vs Putaran pada beban 800 Watt untuk setiap bahan bakar... 40 Gambar 4.3 Grafik Torsi Vs Putaran pada beban 400 Watt untuk setiap bahan bakar... 50 Gambar 4.4 Grafik Torsi Vs Putaran pada beban 800 Watt untuk setiap bahan bakar... 50 Gambar 4.5 Grafik SFC Vs Putaran pada beban 400 Watt untuk setiap bahan bakar... 64 ix
Gambar 4.6 Grafik SFC Vs Putaran pada beban 800 Watt untuk setiap bahan bakar... 64 Gambar 4.7 Grafik AFR Vs Putaran pada beban 400 Watt untuk setiap bahan bakar... 78 Gambar 4.8 Grafik AFR Vs Putaran pada beban 800 Watt untuk setiap bahan bakar... 79 Gambar 4.9 Grafik Efisiensi Thermal Brake Vs Putaran pada beban 400 Watt untuk setiap bahan bakar... 89 Gambar 4.10 Grafik Efisiensi Thermal Brake Vs Putaran pada beban 800 Watt untuk setiap bahan bakar... 90 Gambar 4.11 Kondisi awal nozel sebelum digunakan dalam pengujian... 91 Gambar 4.12 Nozel yang telah digunakan dalam pengujian menggunakan bahan bakar solar murni... 91 Gambar 4.13 Nozel yang telah digunakan dalam pengujian menggunakan bahan bakar solar 99% + Serbuk Kulit Padi 1%... 92 Gambar 4.14 Nozel yang telah digunakan dalam pengujian menggunakan bahan bakar solar 97,5% + Serbuk Kulit Padi 2,5%... 93 Gambar 4.14 Nozel yang telah digunakan dalam pengujian menggunakan bahan bakar solar 95% + Serbuk Kulit Padi 5%... 94 x
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Komposisi Kimia Kulit Biji Padi Secara Teori... 7 Tabel 2.2 Standart Emisi Gas Buang... 19 Tabel 4.1 Hasil Perhitungan Daya Pada Bahan Bakar Solar Murni Beban 400 Watt... 31 Tabel 4.2 Tabel Hasil Perhitungan Daya Pada Bahan Bakar Solar Murni Beban 800 Watt... 32 Tabel 4.3 Tabel Hasil Perhitungan Daya Pada Bahan Bakar Solar 99% + Serbuk kulit padi 1% Beban 400 Watt... 33 Tabel 4.4 Tabel Hasil Perhitungan Daya Pada Bahan Bakar Solar 99% +Serbuk kulit padi 1% Beban 800 Watt... 34 Tabel 4.5 Tabel Hasil Perhitungan Daya Pada Bahan Bakar Solar 97,5% +Serbuk kulit padi 2,5% Beban 400 Watt... 35 Tabel 4.6 Tabel Hasil Perhitungan Daya Pada Bahan Bakar Solar 97,5% +Serbuk kulit padi 2,5% Beban 800 Watt... 36 Tabel 4.7 Tabel Hasil Perhitungan Daya Pada Bahan Bakar Solar 95%+Serbuk kulit padi 5% Beban 400 Watt... 37 Tabel 4.8 Tabel Hasil Perhitungan Daya Pada Bahan Bakar Solar 95%+Serbuk Kulit Padi 5% Beban 800 Watt... 38 Tabel 4.9 Hasil Perhitungan Torsi Untuk Bahan Bakar Solar Murni Pada Variasi Putaran Dan Beban Tetap 400 Watt... 42 Tabel 4.10 Hasil Perhitungan Torsi Untuk Bahan Bakar Solar Murni xi
Pada Variasi Putaran Dan Beban Tetap 800 Watt... 43 Tabel 4.11 Tabel Hasil Perhitungan Torsi Pada Bahan Solar 99%+ Serbuk kulit padi 1 % Beban 400 Watt... 44 Tabel 4.12 Tabel Hasil Perhitungan Torsi Pada Bahan Solar 99% + Serbuk kulit padi 1 % Beban 800 Watt... 45 Tabel 4.13 Tabel Hasil Perhitungan Torsi Pada Bahan Bakar Solar 97,5%+ Serbuk kulit padi 2,5%... 46 Tabel 4.14 Tabel Hasil Perhitungan Torsi Pada Bahan Bakar Solar 97,5%+ Serbuk kulit padi 2,5%... 47 Tabel 4.15 Tabel Hasil Perhitungan Torsi Pada Bahan Bakar Solar 95% + Serbuk kulit padi 5 % Beban 400 Watt... 48 Tabel 4.16 Tabel Hasil Perhitungan Torsi Pada Bahan Bakar Solar 95% + Serbuk kulit padi 5 % Beban 800 Watt... 49 Tabel 4.17 Tabel Hasil Perhitungan SFC Pada Bahan Bakar Solar Beban 400 Watt... 53 Tabel 4.18 Tabel Hasil Perhitungan SFC Pada Bahan Bakar Solar Beban 800 Watt... 54 Tabel 4.19 Tabel Hasil Perhitungan SFC Pada Bahan Bakar Solar 99% + Serbuk padi 1 % Beban 400 Watt... 56 Tabel 4.20 Tabel Hasil Perhitungan SFC Pada Bahan Bakar Solar 99% + Serbuk padi 1 % Beban 800 Watt... 57 Tabel 4.21 Tabel Hasil Perhitungan SFC Pada Bahan Bakar xii
Solar 97,5% + Serbuk padi 2,5 % Beban 400 Watt... 59 Tabel 4.22 Tabel Hasil Perhitungan SFC Pada Bahan Bakar Solar 97,5% + Serbuk padi 2,5 % Beban 800 Watt... 60 Tabel 4.23 Tabel Hasil Perhitungan SFC Pada Bahan Bakar Solar 95%+ Serbuk padi 5 % Beban 400 Watt... 62 Tabel 4.24 Tabel Hasil Perhitungan SFC Pada Bahan Bakar Solar 95%+ Serbuk padi 5 % Beban 800 Watt... 63 Tabel 4.25 Tabel Hasil Perhitungan AFR Pada Bahan Bakar Solar Murni Beban 400 Watt... 68 Tabel 4.26 Tabel Hasil Perhitungan AFR Pada Bahan Bakar Solar Murni Beban 800 Watt... 69 Tabel 4.27 Tabel Hasil Perhitungan AFR Pada Bahan Bakar Solar +Serbuk kulit Padi 1 % Beban 400 Watt... 71 Tabel 4.28 Tabel Hasil Perhitungan AFR Pada Bahan Bakar Solar +Serbuk kulit Padi 1 % Beban 800 Watt... 74 Tabel 4.29 Tabel Hasil Perhitungan AFR Pada Bahan Bakar Solar +Serbuk kulit Padi 2,5 % Beban 400 Watt... 75 Tabel 4.30 Tabel Hasil Perhitungan AFR Pada Bahan Bakar Solar +Serbuk kulit Padi 2,5 % Beban 800 Watt... 76 Tabel 4.31 Tabel Hasil Perhitungan AFR Pada Bahan Bakar Solar + Serbuk kulit Padi 5 % Beban 400 Watt... 74 Tabel 4.32 Tabel Hasil Perhitungan AFR Pada Bahan Bakar Solar + xiii
Serbuk kulit Padi 5 % Beban 400 Watt... 78 Tabel 4.33 Tabel Hasil Perhitungan Efisiensi Thermal Brake Pada Bahan Bakar Solar Murni Beban 400 Watt... 81 Tabel 4.34 Tabel Hasil Perhitungan Efisiensi Thermal Brake Pada Bahan Bakar Solar Murni Beban 800 Watt... 82 Tabel 4.35 Tabel Hasil Perhitungan Efisiensi Thermal Brake Pada Bahan Bakar Solar 99%+ Serbuk Kulit Padi 1% pada Beban 400 Watt.... 83 Tabel 4.36 Tabel Hasil Perhitungan Efisiensi Thermal Brake Pada Bahan Bakar Solar 99%+ Serbuk Kulit Padi 1% pada Beban 800 Watt.... 84 Tabel 4.37 Tabel Hasil Perhitungan Efisiensi Thermal Brake Pada Bahan Bakar Solar 97,5%+ Serbuk Kulit Padi 2,5% pada Beban 400 Watt... 85 Tabel 4.38 Tabel Hasil Perhitungan Efisiensi Thermal Brake Pada Bahan Bakar Solar 97,5%+ Serbuk Kulit Padi 2,5% pada Beban 800 Watt... 86 Tabel 4.39 Tabel Hasil Perhitungan Efisiensi Thermal Brake Pada Bahan Bakar Solar 5%+ Serbuk Kulit Padi 5% pada Beban 400 Watt.... 88 Tabel 4.40 Tabel Hasil Perhitungan Efisiensi Thermal Brake Pada Bahan Bakar Solar 5%+ Serbuk Kulit Padi 5% pada xiv
Beban 800 Watt.... 94 Tabel 4.18 Tabel Hasil Opacity untuk Beban 400 Watt... 95 Tabel 4.19 Tabel Hasil Opacity untuk Beban 800 Watt... 92 xv
DAFTAR NOTASI Lambang AFR Keterangan Rasio Udara dan bahan bakar Satuan B Bore of Cylinder (Diameter Silinder) mm CV Nilai Kalor Kj/Kg ṁ aa Laju massa udara dalam Silinder Kg/jam ṁ ff R Laju Aliran Bahan Bakar Kg/jam n Putaran rpm η b Efisiensi Thermal Brake P r c S B Daya Keluaran Rasio Kompresi Stoke Lenght (Panjang Langkah) Watt mm SFC Konsumsi Bahan Bakar Spesifik g/w.jam SFC Konsumsi bahan bakar spesifik g/kwh t Waktu Jam T Torsi N.m V c Volume sisa di silinder m Vd Volume Silinder m 3 3 xvi