KAJIAN PERFORMANSI MESIN GENSET DIESEL SATU SILINDER DENGAN CAMPURAN BAHAN BAKAR SOLAR DAN BAHAN BAKAR LPG MELALUI VACUUM REGULATOR SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik GEORGE MAGER NIM. 090401050 DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014
i Abstrak Dalam penelitian ini dilakukan pengujian pengaruh penambahan LPG sebagai bahan bakar alternatif pada mesin diesel yang dimasukkan pada saluran masuk udara. Mesin diesel yang digunakan adalah Yanmar TF 155 H-Di satu silinder dengan operasi bahan bakar ganda solar-lpg. Pengujian dilakukan pada beban stasioner 400 watt dan 800 watt, serta variasi putaran 900-1400 rpm. Masukan gas LPG dilakukan dengan memanfaatkan kevakuman ruang bakar ketika mesin sedang beroperasi, secara otomatis klep pada vacuum regulator akan terbuka sesuai banyaknya kevakuman. Parameter yang diamati adalah Daya, Torsi, Konsumsi Bahan Bakar Spesifik, perbandingan udara-bahan bakar dan efisiensi thermal. Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa Daya dan Torsi pada diesel bahan bakar ganda ini mengalami presentase kenaikan mencapai 6,62%, konsumsi bahan bakar spesifik mengalami kenaikan antara mencapai 98,8%, rasio udarabahan bakar mengalami penurunan mencapai 52,51%, dan efisiensi thermal mengalami penurunan mencapai 76,9%. Pada segi nilai rupiah pemakaian bahan bakar ganda solar-lpg mengalami penurunan mencapai 17,97%. Gas LPG dapat menggantikan solar mencapai 60,6% pada laju aliran massa gas 0,4486 kg/jam pada putaran 1000 rpm dengan beban 400 watt tanpa mengalami detonasi dan ketukan. Kata Kunci : LPG, diesel bahan bakar ganda, vacuum regulator, performansi mesin diesel
ii Abstract This research has conducted to investigate the influence of Liquefied Petroleum Gas (LPG) as alternative fuel for diesel engine by means of air intake manifold. Diesel Engine has been used for this research is Yanmar TF 155 Horizontal-Direct injection single silinder with Dual Fuel Operation Diesel-LPG. Stationary load had set at 400 watts and 800 watts, and Engine rotation varied from 900 to 1400 rpm. Injection LPG into Intake Manifold arranged by utilizing vacuum combustion chamber when the engine were running. Automatically the valve will be opened according to the magnitude of vacuum. Engine parameters which had examine are power, torque, specific fuel consumption, air-fuel ratio and thermal efficiency. Experiment Result show that Torque and Power increase to 6,62%, specific fuel consumption increase to 98,8%, while air-fuel ratio decrease to 52,51% and thermal efficiency decrease to 76,9%. When viewed in terms of economis, at Economic Efficiency decrease to 17,97%. LPG gas replaced diesel fuel 60,6% with the gas flow rate of 0,4486 kg/hour at Engine rotation operate 1000 rpm and 400 watts stationary load without engine detonation and knocking. Keywords : LPG, diesel dual fuel, vacuum regulator, Engine Performance
iii KATA PENGANTAR Puji dan syukur saya ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa atas berkat, kesehatan, dan kasih karunianya yang diberikan selama pengerjaan skripsi ini, sehingga skripsi ini dapat saya selesaikan. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan dan mendapat gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu Kajian Performansi Mesin Genset Diesel Satu Silinder Dengan Campuran Bahan Bakar Solar dan Bahan Bakar LPG Melalui Vacuum Regulator Dalam penulisan skripsi ini tidak sedikit hambatan yang dihadapi oleh penulis. Penulis telah berupaya keras dengan segala kemampuan dan penyajian, baik dengan disiplin ilmu yang diperoleh, serta bimbingan dan arahan dari Dosen Pembimbing. 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 penulis, Ayahanda H. Siregar, SE. dan Ibunda R.br Marpaung, yang telah memberikan dukungan doa, kasih sayang, semangat dan dukungan kepada penulis untuk dapat mengikuti pendidikan di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik USU. 2. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST, MT. selaku dosen pembimbing yang banyak meluangkan waktu membimbing penulis dalam menyelesaikan skripsi ini. 3. Bapak Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik. 4. Ir. M. Syahril Gultom, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik. 5. Bapak/Ibu staff pengajar dan pegawai di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik. 6. Laboran Laboratorium Prestasi Mesin Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik yang telah banyak memberikan arahan kepada penulis selama pengujian berlangsung.
iv 7. Rekan-rekan satu tim penulis yang berjuang bersama-sama, Roland, Adventus, Rian, Aogus dan Shandy. 8. Seluruh teman-teman penulis, khususnya angkatan 2009 yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu yang telah menemani dan memberikan masukan serta semangat kepada penulis 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, Juli 2014 Penulis George Mager Nim. 090401050
v DAFTAR ISI ABSTRAK... i ABSTRAK... ii KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... x DAFTAR NOTASI... xii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang... 1 1.2 Tujuan Pengujian... 2 1.3 Manfaat Pengujian... 3 1.4 Ruang Lingkup Pengujian... 3 1.5 Metodologi Penelitian... 4 1.6 Sistematika Pengujian... 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Bahan Bakar Diesel... 5 2.2 Bahan Bakar LPG... 8 2.2.1 Pendahuluan LPG... 8 2.2.2 Jenis Dan Komponen LPG... 8 2.2.3 Sifat-Sifat LPG... 9 2.3 Mesin Diesel... 14 2.3.1 Prinsip Kerja Mesin Diesel... 16 2.3.2 Teori Pembakaran... 18 2.4 Performansi Motor Bakar... 19 2.4.1 Daya Poros... 19 2.4.2 Torsi... 20 2.4.3 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC)... 20 2.4.4 Efisiensi Thermal... 21 4.4.5 Rasio Udara Bahan Bakar (AFR)... 21
vi 2.5 Nilai Kalor Bahan Bakar... 22 2.6 Emisi Gas Buang... 23 2.7 Sistem Kit Konversi... 24 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat... 30 3.2 Alat dan Bahan... 30 3.2.1 Alat... 30 3.2.2 Bahan...... 43 3.3 Metode Pengumpulan data... 43 3.4 Metode Pengolahan data... 43 3.5 Pengamatan dan Tahap Pengujian... 44 3.6 Prosedur Pengujian Nilai Kalor Bahan Bakar... 44 3.7 Prosedur Pengujian Performansi Mesin Diesel... 46 BAB IV HASIL DAN ANALISA PENGUJIAN 4.1 Daya... 53 4.1.1 Daya yang dihasilkan menggunakan solar murni... 53 4.1.2 Daya yang dihasilkan menggunakan solar murni +LPG via vacuum regulator...55 4.2 Torsi... 59 4.2.1 Torsi yang dihasilkan menggunakan solar murni... 59 4.2.2 Torsi yang dihasilkan menggunakan solar murni +LPG via vacuum regulator...60 4.3 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik... 64 4.3.1 Perhitungan SFC dengan B.Bakar Solar... 64 4.3.2 Perhitungan SFC dengan B.Bakar Solar +LPG via vacuum regulator...66 4.4 Efisiensi Thermal Brake... 70 4.4.1 Efisiensi Thermal Brake dengan Bahan Bakar Solar... 71 4.4.2 Efisiensi Thermal Brake dengan Bahan Bakar Solar +LPG via vacuum regulator...73
vii 4.5 Rasio Udara Bahan Bakar (AFR)... 78 4.5.1 Perhitungan AFR dengan B.Bakar Solar... 78 4.5.2 Perhitungan AFR dengan B.Bakar Solar +LPG via vacuum regulator...81 4.6 Hasil Pembakaran... 86 4.7 Emisi Gas Buang... 88 4.8 Tinjauan Nilai Ekonomis... 89 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan... 93 5.2 Saran... 95 DAFTAR PUSTAKA... xiii LAMPIRAN... xiv
viii DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Skenario Energi Mix Nasional 2025... 1 Gambar 2.1 P-v diagram Siklus Mesin Diesel... 15 Gambar 2.2 Diagram T-S Mesin Diesel... 16 Gambar 2.3 Prinsip Kerja Mesin Diesel... 17 Gambar 2.4 Proses Pembakaran Mesin Diesel... 18 Gambar 2.5 Skema Kit konversi untuk BBG... 26 Gambar 2.6 Skema Sistem Konversi Dual Fuel Dengan Sistim Injeksi... 28 Gambar 2.7 Blog Diagram Sistem Injeksi... 28 Gambar 2.8 Skema Instalasi Dual Sistem, BBG dan BBM Pada Kendaraan... 29 Gambar 3.1 Mesin Genset Diesel Yanmar TF 155 H-Di...30 Gambar 3.2 RPM Digital... 31 Gambar 3.3 Hioki HiTester 3286-20 Power Clamp-Meter... 32 Gambar 3.4 Buret... 33 Gambar 3.5 Selang Bertekanan... 33 Gambar 3.6 Stopwatch... 34 Gambar 3.7 Bola Lampu Pijar dan Instalasinya... 34 Gambar 3.8 Botol Wadah Bahan Bakar... 35 Gambar 3.9 Manometer... 35 Gambar 3.10 Tabung LPG... 36 Gambar 3.11 Flow Meter... 36 Gambar 3.12 Bom Kalorimeter... 37 Gambar 3.13 Heshbon Automative Opacity Smoke Meter... 38 Gambar 3.14 Vacuum Regulator... 39 Gambar 3.15 Model KN Regulator... 39 Gambar 3.16 Komponen KN Regulator... 41 Gambar 3.17 LPG Selenoid Valve... 42 Gambar 3.18 Fuel Selenoid Valve... 42 Gambar 3.19 Regulator Tekanan Tinggi... 43
ix Gambar 3.20 Diagram alir pengujian performansi solar mesin genset diesel satu silinder... 48 Gambar 3.21 Diagram alir pengujian performansi solar+lpg melalui vacuum regulator mesin genset diesel satu silinder... 49 Gambar 3.22 Diagram Pengujian Gas Buang... 50 Gambar 3.23 Skema Pengujian Solar Murni... 51 Gambar 3.24 Skema Pengujian Solar + LPG via vacuum regulator... 52 Gambar 4.1 Grafik Daya vs Putaran Untuk Beban 400 Watt... 57 Gambar 4.2 Grafik Daya vs Putaran Untuk Beban 800 Watt... 58 Gambar 4.3 Grafik Torsi vs Putaran Untuk Beban 400 Watt... 62 Gambar 4.4 Grafik Torsi vs Putaran Untuk Beban 800 Watt... 63 Gambar 4.5 Grafik SFC vs Putaran Untuk Beban 400 Watt... 68 Gambar 4.6 Grafik SFC vs Putaran Untuk Beban 800 Watt... 69 Gambar 4.7 Grafik BTE (%) vs Putaran Untuk Beban 400 Watt... 75 Gambar 4.8 Grafik BTE (%) vs Putaran Untuk Beban 800 Watt... 76 Gambar 4.9 Grafik AFR vs Putaran (rpm) pada beban tetap 400 Watt... 83 Gambar 4.10 Grafik AFR vs Putaran (rpm) pada beban tetap 400 Watt... 84 Gambar 4.11 Kondisi awal nozel sebelum digunakan dalam pengujian... 85 Gambar 4.12 Nozel yang telah digunakan dalam pengujian menggunakan bahan bakar solar murni... 86 Gambar 4.13 Nozel yang telah digunakan dalam pengujian menggunakan bahan bakar solar + LPG via Vacuum Regulator... 86 Gambar 4.14 Grafik Perbandingan nilai harga rupiah/jam solar dan putaran beban 800 watt... 91 Gambar 4.15 Grafik Perbandingan nilai harga rupiah/jam solar dan putaran beban 800 watt... 92
x DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Spesifikasi Minyak Solar... 7 Tabel 2.2 Standar Emisi Gas Buang... 24 Tabel 3.1 Spesifikasi Hioki HiTester 3286-20 Power Clamp-Meter... 32 Tabel 3.2 Spesifikasi Kn Regulator... 40 Tabel 4.1 Hasil perhitungan daya untuk bahan bakar solar murni pada variasi putaran dan beban tetap 400 Watt... 54 Tabel 4.2 Hasil perhitungan daya untuk bahan bakar solar murni pada variasi putaran dan beban tetap 800 Watt... 55 Tabel 4.3 Hasil perhitungan daya untuk bahan bakar solar + LPG melalui Vacuum Regulator...56 Tabel 4.4 Hasil perhitungan daya untuk bahan bakar solar + LPG melalui Vacuum Regulator pada variasi putaran dan beban tetap 800 Watt... 56 Tabel 4.5 Hasil perhitungan torsi untuk bahan bakar solar pada variasi putaran dan beban tetap 400 Watt... 60 Tabel 4.6 Hasil perhitungan torsi untuk bahan bakar solar pada variasi putaran dan beban tetap 800 Watt... 60 Tabel 4.7 Hasil perhitungan torsi untuk bahan bakar solar + LPG via Vacuum Regulator pada variasi putaran dan beban tetap 400 Watt...61 Tabel 4.8 Hasil perhitungan torsi untuk bahan bakar solar + LPG via Vacuum Regulator pada variasi putaran dan beban tetap 800 Watt... 61 Tabel 4.9 Hasil perhitungan SFC untuk bahan bakar solar murni pada variasi putaran dan beban tetap 400 Watt... 65 Tabel 4.10 Hasil perhitungan SFC untuk bahan bakar solar murni pada variasi putaran dan beban tetap 800 Watt... 66 Tabel 4.11 Hasil perhitungan SFC untuk bahan bakar solar + LPG via vacuum regulator pada variasi putaran dan beban tetap 400 Watt... 67
xi Tabel 4.12 Hasil perhitungan SFC untuk bahan bakar solar + LPG via vacuum regulator pada variasi putaran dan beban tetap 800 Watt... 68 Tabel 4.13 Hasil perhitungan Efisiensi thermal untuk bahan bakar solar murni pada variasi putaran dan beban tetap 400 Watt... 71 Tabel 4.14 Hasil perhitungan Efisiensi thermal untuk bahan bakar solar murni pada variasi putaran dan beban tetap 800 Watt... 72 Tabel 4.15 Hasil perhitungan Efisiensi thermal untuk bahan bakar solar + LPG via vacuum regulator pada variasi putaran dan beban tetap 400 Watt...73 Tabel 4.16 Hasil perhitungan Efisiensi thermal untuk bahan bakar solar + LPG via vacuum regulator pada variasi putaran dan beban tetap 800 Watt... 74 Tabel 4.17 Hasil perhitungan AFR untuk bahan bakar solar murni pada variasi putaran dan beban tetap 400 Watt...79 Tabel 4.18 Hasil perhitungan AFR untuk bahan bakar solar murni pada variasi putaran dan beban tetap 800 Watt...80 Tabel 4.19 Hasil perhitungan AFR untuk bahan bakar solar + LPG via vacuum regulator pada variasi putaran dan beban tetap 400 Watt...81 Tabel 4.20 Hasil perhitungan AFR untuk bahan bakar solar + LPG vacuum regulator pada variasi putaran dan beban tetap 800 Watt...83 Tabel 4.21 Emisi Bahan Bakar untuk beban 400 watt...87 Tabel 4.22 Emisi Bahan Bakar untuk beban 400 watt...88 Tabel 4.23 Nilai Ekonomis Pengujian Solar Murni beban 400 watt...89 Tabel 4.24 Nilai Ekonomis Pengujian Solar Murni beban 800 watt...89 Tabel 4.25 Nilai Ekonomis Pengujian Solar + LPG via vacuum regulator beban 400 watt...90 Tabel 4.26 Nilai Ekonomis Pengujian Solar + LPG via vacuum regulator beban 800 watt...91
xii DAFTAR NOTASI SIMBOL KETERANGAN SATUAN P B Daya Keluaran Watt CV Nilai kalor kj/kg Laju aliran massa udara kg/s Laju aliran bahan bakar kg/jam n Putaran mesin rpm Effisiensi termal % Sfc Konsumsi bahan bakar spesifik g/kw.h t Waktu pengujian yang ditentukan detik T Torsi keluaran mesin N.m Massa Jenis kg/m 3 V Tegangan Volt I Arus Ampere v Volume bahan bakar ml B Diameter Silinder mm S Panjang Langkah mm r c Rasio Kompresi V d Volume Silinder m 3 V c Volume sisa di silinder m 3 AFR Rasio campuran bahan bakar dan udara