karakterisasi performa mesin diesel dual …mmt.its.ac.id/download/semnas/semnas xxiii/mi/26....

Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XXIIIProgram Studi MMT-ITS, Surabaya 1 Agustus 2015

ISBN: 978-602-70604-2-5A-26-1

KARAKTERISASI PERFORMA MESIN DIESEL DUAL FUELSOLAR-CNG TIPE LPIG DENGAN PENGATURAN

START OF INJECTION DAN DURASI INJEKSI

Ahmad Arif1) dan Bambang Sudarmanta2)

1) Program Studi Magister Rekayasa Konversi Energi, Jurusan Teknik Mesin,InstitutTeknologi Sepuluh Nopember

Kampus ITS Sukolilo,Surabaya, 60111, Indonesiae-mail: [email protected]

2)Jurusan Teknik Mesin, Institut Teknologi Sepuluh Nopember

ABSTRAK

Manfaat potensial menggunakan CNG pada mesin diesel dual fuel adalah lebih ekonomis danramah lingkungan. Namun masih terdapat permasalahan pada aplikasinya, yaitu performamenurun pada beban rendah dan akselerasi pada kondisi transien. Penelitian ini bertujuanmeningkatkan performa mesin diesel dual fuel tipe LPIG berbahan bakar minyak solar danCNG yang dilakukan pada mesin diesel single cylinder. Penelitian dilakukan secaraeksperimental dengan menginjeksikan CNG melalui injektor ke intake manifold yangdikontrol menggunakan ECU. Metode yang digunakan untuk mengetahui nilai pengaturanoptimum adalah dengan mapping start of injection dan durasi injeksi CNG melalui softwareVEMSTUNE pada komputer. Start of injection diatur pada 35°, 40°, dan 45°ATDC dandurasi injeksi sebesar 25, 23, dan 21ms. Pengujian dilakukan dengan putaran mesin konstan1500rpm dan pembebanan dari 500 sampai 4000 watt dengan interval 500 watt. Hasil yangdidapatkan dari penelitian menunjukkan bahwa pengaturan optimum start of injection dandurasi injeksi CNG terjadi pada 45°ATDC dan 25ms dengan substitusi CNG dapatmenggantikan peran minyak solar hingga rata-rata 53,39% dan mengurangi konsumsi minyaksolar hingga rata-rata 39,64%. Selain itu juga dapat menurunkan SFC solar hingga rata-rata52,05%, akan tetapi meningkatkan SFC dual fuel hingga rata-rata 0,98 kg/HP.h dari 0,21kg/HP.h pada single fuel dan menurunkan AFR rata-rata sebesar 22,92%.

Kata kunci: Mesin Diesel Dual Fuel Solar-CNG, Tipe LPIG, Start of Injection, DurasiInjeksi, Performa

PENDAHULUAN

Jumlah kendaraan setiap tahunnya terus bertambah, hal ini mengakibatkan konsumsidan harga bahan bakar minyak bumi juga terus mengalami peningkatan, sedangkanpersediaannya semakin menipis. Di sisi lain, masih tersedia cadangan bahan bakar gas yangcukup melimpah dengan harga yang relatif murah, tetapi belum dimanfaatkan secara optimal.Compressed natural gas (CNG) merupakan salah satu jenis bahan bakar gas paling potensialyang tersedia untuk internal combustion engine karena lebih ekonomis dan ramah lingkungan.Sebuah teknologi yang menjanjikan untuk digunakan pada motor pembakaran dalam adalahsystem dual fuel atau bahan bakar ganda (Korakiantis, Namasivayam, dan Crookies, 2011).

Mesin diesel dual fuel adalah mesin diesel yang ditambahkan bahan bakar gas padaintake manifold atau langsung ke ruang bakar dan penyalaan pembakaran dilakukan olehsemprotan minyak solar. Tamam (2013) menyebutkan bahwa saat ini terdapat tiga tipe sistemdual fuel yang digunakan pada mesin diesel, yaitu Low Pressure Injected Gas (LPIG), High


ISBN: 978-602-70604-2-5A-26-2

Pressure Injected Gas (HPIG), dan Combustion Air Gas Integration (CAGI). Tipe CAGImerupakan tipe yang banyak digunakan karena lebih murah secara ekonomis dibandingkandengan dua sistem yang lainnya karena tidak menggunakan injektor maupun pompabertekanan tinggi dan tidak membutuhkan model yang rumit sehingga apabila suplai gas habisatau tersendat maka sistem akan langsung bekerja dengan 100% bahan bakar diesel.Kekurangan tipe ini adalah adanya kemungkinan sebagian gas keluar bersama gas buang padasaat katup isap dan buang sama-sama berada pada posisi terbuka (overlap) sehingga terjadipemborosan penggunaan bahan bakar gas.

Sedangkan tipe HPIG dapat mencegah terbuangnya sebagian bahan bakar gasbersamaan dengan gas buang hasil pembakaran karena bahan bakar gas hanya diinjeksikansetelah katup buang tertutup. Namun tipe ini membutuhkan biaya yang mahal karena harusmenyediakan injektor untuk tekanan tinggi karena suplai bahan bakar gasnya langsung keruang bakar. Oleh karena itu, secara teoritis tipe sistem dual fuel yang lebih efisien digunakanpada adalah LPIG, karena tipe ini dapat mengurangi potensi gas terbuang karena gas hanyadisuplai setelah katup isap terbuka dan katup buang tertutup sehingga penyuplaian bahanbakar gas lebih efisien. Selain itu, tipe LPIG juga membutuhkan biaya yang lebih murahdibandingkan tipe HPIG.

Permasalahan yang terdapat pada aplikasi sistem dual fuel saat ini adalah performayang cenderung menurun pada saat beban rendah (Lounici dkk, 2014) dan akselerasi padakondisi transien (penambahan kecepatan pada mesin otomotif atau penambahan beban padamesin stasioner) (Aminuddin, 2014). Untuk meningkatkan performa mesin diesel dual fueldibutuhkan pengaturan beberapa parameter dalam penyuplaian bahan bakar gas, diantaranyaadalah start of injection (awal injeksi) dan durasi injeksi bahan bakar gas. Start of injectionsangat menentukan proses pembakaran di dalam silinder sehingga akan mempengaruhiperforma yang dihasilkan oleh mesin diesel, termasuk yang menggunakan dual fuel. Untukitu, dibutuhkan sudut start of injection yang tepat dalam menginjeksikan bahan bakar kedalam ruang bakar agar didapatkan pembakaran yang sempurna sehingga akan meningkatkanperforma mesin (Warsita, 2012). Adapun durasi injeksi adalah suatu proses lamanya injektormenginjeksikan bahan bakar ke dalam ruang bakar. Lamanya durasi injeksi menentukanjumlah bahan bakar yang disemprotkan ke dalam ruang bakar. Pada bahan bakar gas yangmempunyai nilai density yang rendah, maka perlu dilakukan pengaturan durasi injeksi darikeadaan standarnya (Aminuddin, 2014).

Berdasarkan uraian di atas, akan dilakukan optimasi terhadap performa mesin dieseldual fuel dengan pengaturan start of injection dan durasi injeksi bahan bakar gas (CNG)sehingga didapatkan performa yang optimal pada setiap kondisi pembebanan mesin.Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan sudut start of injection dan durasi injeksi CNGyang tepat serta nilai unjuk kerja yang dinyatakan dalam: daya, torsi, brake mean effectivepressure (BMEP), specific fuel consumption (SFC), air fuel ratio (AFR), dan temperatur(mesin, pelumas, air pendingin, dan gas buang) antara mesin diesel berbahan bakar single fuel(tunggal) minyak solar dan dual fuel minyak solar-CNG.

METODE

Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan metode eksperimental. Pengujiandilakukan pada mesin diesel generator set dengan poros utama yang telah terkopel langsungdengan generator listrik. Mesin ini telah dimodifikasi menjadi dual fuel dengan menggunakanbahan bakar minyak solar dan CNG. Metode pengujian pada penelitian ini dibagi atas 2 (dua)kelompok, yaitu: kelompok kontrol (motor diesel menggunakan single fuel dengan bahanbakar minyak solar) dan kelompok uji (motor diesel menggunakan sistem dual fuel denganbahan bakar kombinasi minyak solar dan CNG).


ISBN: 978-602-70604-2-5A-26-3

Mesin diesel generator set yang digunakan sebagai mesin uji adalah mesin diesel 4(empat) langkah, single cylinder, dengan kapasitas mesin 411 cc dan daya maksimum 6000watt. Pembebanan yang dilakukan menggunakan beban lampu pijar sebanyak 8 buah dengankonsumsi daya masing-masing lampu sebesar 500 watt. Lampu-lampu ini disusun secaraparalel dengan dilengkapi saklar pada tiap-tiap lampu untuk pengaturan beban. Bahan bakarminyak solar yang digunakan adalah minyak solar yang didapatkan dari pasaran yangdiproduksi oleh Pertamina, sedangkan CNG adalah yang diproduksi oleh PT. PGN.

Proses pemasukan CNG dengan sistem dual fuel menggunakan tipe LPIG (LowPressure Injected Gas). Tipe ini bekerja dengan melakukan injeksi CNG pada saluran isap(intake manifold) melalui injektor yang dikontrol menggunakan sistem Electronic ControlUnit (ECU). Metode yang digunakan untuk mengetahui nilai pengaturan optimum adalahdengan mapping start of injection dan durasi injeksi CNG melalui software VEMSTUNEpada komputer. Start of injectio nyang digunakan adalah 35°, 40°, dan 45° after top deadcenter (ATDC) dan durasi injeksi sebesar 25, 23, dan 21 ms (milisecond) serta tekanan CNGyang keluar dari pressure reducer dijaga konstan pada tekanan 2 bar.

Gambar 1. Skema Penelitian

Pengujian dilakukan dengan putaran mesin konstan 1500 rpm dan pembebananbervariasi dari 500 watt sampai 4000 watt dengan interval 500 watt dan setiap tahappembebanan dilakukan pengambilan data. Data yang diambil antara lain laju alir udara danCNG, waktu konsumsi minyak solar setiap 25 ml, arus, tegangan, dan temperatur (mesin, gasbuang, pelumas, dan cairan pendingin).

Sebelum dilakukan pengujian dengan sistem dual fuel maka terlebih dahulu dilakukanpengujian dengan single fuel minyak solar, hal ini dimaksudkan agar didapatkan data awalsebagai acuan/standar guna melihat perubahan parameter-parameter yang terjadi saatpenerapan sistem dual fuel.


ISBN: 978-602-70604-2-5A-26-4

HASIL DAN PEMBAHASAN

Analisa Daya Efektif

Gambar 2. Grafik Daya Fungsi Beban

Grafik daya fungsi beban pada gambar 2 menyatakan bahwa daya yang diperlukanakan naik dengan bertambahnya beban listrik yang diberikan sebagai kompensasibertambahnya bahan bakar yang masuk ke ruang bakar. Bahan bakar yang bertambah banyakmenyebabkan semakin banyak energi yang dapat dikonversi menjadi energi panas danmekanik dengan udara yang cukup. Energi menjadikan daya mesin semakin besar sesuaidengan beban yang diberikan kepada mesin.

Idealnya untuk putaran mesin konstan, daya akan naik sebanding denganbertambahnya beban. Untuk beban 500 watt hingga 4000 watt mengikuti idealnya kenaikandaya yang linier dengan kenaikan beban. Kemudian perubahan besaran daya antara sistemsingle fuel dan dual fuel relatif kecil, hal ini disebabkan perubahan nilai arus dan teganganyang dihasilkan oleh generator juga relatif kecil. Artinya, penambahan energi untuk mesinjuga relatif kecil saat mesin dioperasikan dengan sistem dual fuel sehingga perbedaan dayaantara kedua sistem bahan bakar juga kecil.

Analisa Torsi

Gambar 3. Grafik Torsi Fungsi Beban

Grafik torsi mesin fungsi beban listrik ini memiliki karakteristik yang sama dengangrafik daya efektif. Torsi merupakan ukuran kemampuan dari mesin untuk menghasilkankerja. Sehingga dapat disimpulkan secara sederhana bahwa torsi akan semakin besar apabilabeban yang diberikan juga semakin besar. Karena dalam pengujian penelitian ini putaranmesin dijaga konstan, maka perubahan nilai torsi bergantung variasi daya efektif yang padaakhirnya bentuk grafik yang ditunjukkan sama dengan bentuk grafik yang ditunjukkan olehgrafik daya efektif fungsi beban listrik.


ISBN: 978-602-70604-2-5A-26-5

Perubahan torsi antara sistem single fuel dan dual fuel dengan memvariasikanpengaturan start of injection dan durasi injeksi CNG relatif kecil, hal ini dikarenakanperubahan nilai arus dan tegangan yang dihasilkan oleh genertor juga relatif kecil. Secaraumum start of injection yang dimundurkan dan penambahan durasi injeksi CNG yang masukke ruang bakar akan membuat torsi yang dihasilkan oleh mesin semakin besar, karenasemakin banyak udara dan bahan bakar yang masuk ke ruang bakar yang kemudian diubahmenjadi energi mekanik mengatasi beban pada poros mesin.

Analisa Brake Mean Effective Pressure (BMEP)

Gambar 4. Grafik Tekanan Efektif Rata-rata Fungsi Beban

Besarnya Brake Mean Effective Pressure (BMEP) atau tekanan efektif rata-rata yangdialami piston berubah-ubah sepanjang langkah piston tersebut. Jika diambil tekanan konstanyang bekerja pada piston dan menghasilkan kerja yang sama, maka tekanan tersebutmerupakan tekanan efektif rata-rata piston. Secara umum start of injection yang dimundurkandan penambahan durasi injeksi CNG yang masuk ke ruang bakar akan membuat BMEP yangdihasilkan oleh mesin semakin besar. Proses pembakaran campuran udara-bahan bakarmenghasilkan tekanan yang bekerja pada piston untuk melakukan langkah kerja. GrafikBMEP terlihat mempunyai kecenderungan naik seiring dengan bertambahnya beban.

Apabila ditinjau dari fenomena yang terjadi di dalam mesin, kenaikan beban akanmenyebabkan perubahan AFR (air-fuel ratio) ke arah campuran kaya bahan bakar. Semakinbanyak bahan bakar yang diledakkan di ruang bakar, maka tekanan ekspansi yang dihasilkanjuga akan semakin besar. Hal inilah yang menyebabkan terjadinya kenaikan BMEP seiringdengan kenaikan beban. Apabila kita generalisir maka bentuk grafik BMEP fungsi bebanlistrik di atas membentuk garis lurus linier mengikuti bentuk ideal dari grafik BMEP fungsibeban listrik dengan mengabaikan bentuk perbedaan nilai BMEP yang cukup kecil antaramasing-masing garis sesuai dengan variasi start of injection dan penambahan durasi injeksiCNG. Perubahan BMEP antara sistem single fuel dan dual fuel relatif kecil, hal ini akibat dariperubahan nilai arus dan tegangan yang dihasilkan oleh generator juga relatif kecil.


ISBN: 978-602-70604-2-5A-26-6

Analisa Specific Fuel Consumption (SFC)

Gambar 5. Grafik SFC Dual Fungsi Beban

Pada gambar 5 secara umum menunjukkan bahwa SFC semakin turun seiring denganpenambahan beban yang semakin tinggi. Hal ini karena semakin besar beban, maka mesinakan semakin banyak memerlukan konsumsi bahan bakar pada putaran motor yang konstan.Nilai SFC rata-rata dual fuel terendah terjadi pada pengaturan start of injection 45° ATDCdan durasi injeksi 25 ms yaitu naik sebesar 0,98 kg/HP.h dari 0,21 kg/HP.h pada single fuel.Hal ini disebabkan oleh laju alir massa CNG yang masuk ke ruang bakar sangat besardibandingkan minyak solar. Demikian pula saat penggunaan CNG, meskipun waktu yangdiperlukan untuk konsumsi minyak solar semakin lama, akan tetapi saat pengaturan durasiinjeksi CNG sudah besar melebihi laju alir massa minyak solar dan hal ini sangat terasa padasaat beban rendah.

Gambar 6. Grafik SFC Solar Fungsi Beban

Pada gambar 6 menunjukkan perbandingan SFC minyak solar saja untuk single fueldan pada saat dual fuel dioperasikan. Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa secara umumkonsumsi minyak solar mengalami penurunan dengan adanya penambahan CNG yang masukke dalam ruang bakar melalui variasi durasi injeksi. Ini berarti bahwa jumlah CNG yangmasuk ke ruang bakar dapat menggantikan sejumlah bahan bakar minyak solar untukmendapatkan daya yang dibutuhkan untuk mengatasi beban listrik.

Dari grafik terlihat bahwa daya mesin naik seiring dengan kenaikan beban listriksementara waktu konsumsi bahan bakar minyak solar semakin singkat. Pada kisaran beban2500 watt hingga 3500 watt adalah kondisi optimal, dimana waktu dan daya yang dihasilkanmemberikan nilai SFC paling rendah. Fenomena yang ditampilkan dalam kondisi ini adalahAFR pada pengujian mesin putaran stasioner selalu berubah berdasarkan beban yangdiberikan. Namun tidak setiap nilai AFR dapat menghasilkan pembakaran yang optimal. Pada


ISBN: 978-602-70604-2-5A-26-7

beban kecil, AFR yang terbentuk adalah campuran yang lebih miskin sehingga untukmenghasilkan daya efektif sebesar 1 HP (horse power) selama 1 jam dibutuhkan lebih banyakcampuran bahan bakar. Semakin besar beban, maka AFR akan bergeser ke arah campuranyang lebih kaya, namun belum tentu setiap campuran yang kaya mampu menghasilkan dayaefektif sebesar 1 HP. Pada grafik tersebut terlihat bahwa jumlah SFC minyak solar yangterendah terjadi pada start of injection 45° ATDC dengan durasi injeksi 25ms dengan rata-ratapersentase penurunan sebesar 52,05% dibandingkan single fuel.

Analisa Air Fuel Ratio (AFR)

Gambar 7. AFR Fungsi Beban

Grafik di atas menunjukkan perbedaan yang sangat besar antara AFR single fueldengan dual fuel. Hal ini disebabkan jumlah bahan bakar yang masuk dalam sistem dual fueljauh lebih besar yang disebabkan besarnya laju alir massa CNG, meskipun denganpenambahan CNG laju alir massa minyak solar berkurang. Bertambahnya beban listrikmengakibatkan AFR berkurang. Untuk setiap pengaturan start of injection dan durasi injeksiAFR turun sejalan dengan penambahan beban listrik. Hal ini disebabkan karena untukmengatasi pertambahan beban, mesin harus menghasilkan daya yang besar pula. Daya yangsemakin besar ini dihasilkan dari pembakaran bahan bakar yang semakin banyak, dan bahanbakar yang ditambah adalah solar karena bahan bakar CNG dimasukkan berdasarkanpengaturan durasi injeksi. Grafik di atas menunjukkan perbedaan yang sangat besar antaraAFR single fuel dengan dual fuel. Hal ini disebabkan jumlah bahan bakar yang masuk dalamsistem dual fuel jauh lebih besar yang disebabkan besarnya laju alir massa CNG, meskipundengan penambahan CNG laju alir massa minyak solar berkurang.

Bertambahnya beban listrik mengakibatkan AFR berkurang. Untuk setiap kondisi startof injection dan durasi injeksi CNG, AFR turun sejalan dengan penambahan beban listrik. Halini disebabkan karena untuk mengatasi pertambahan beban, mesin harus menghasilkan dayayang besar pula. Daya yang semakin besar ini dihasilkan dari pembakaran bahan bakar yangsemakin banyak, dan bahan bakar yang ditambah adalah solar karena bahan bakar CNGdimasukkan secara konstan pada tekanan 2 bar. AFR rata-rata dual fuel terendah terjadi padapengaturan start of injection 45° ATDC dan durasi injeksi 25 ms, yaitu sebesar 22,92%.

KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan dari hasil penelitian ini adalah sebagai berikut:1. Hasil yang didapatkan dari penelitian menunjukkan bahwa pengaturan yang optimal dari

start of injection dan durasi injeksi CNG sistem dual fuel terjadi pada 45° ATDC dan 25ms dengan substitusi CNG dapat menggantikan peran minyak solar hingga rata-rata53,39% dan mengurangi konsumsi minyak solar hingga rata-rata 39,64%. Selain itu juga


ISBN: 978-602-70604-2-5A-26-8

dapat menurunkan SFC solar hingga rata-rata 52,05% akan tetapi meningkatkan SFCdual fuel hingga rata-rata 0,98 kg/HP.h dari 0,21 kg/HP.h pada single fuel danmenurunkan AFR rata-rata sebesar 22,92%.

2. Secara umum daya efektif, torsi, dan BMEP, yang dihasilkan sistem single fuel minyaksolar dan dual fuel minyak solar-CNG tipe LPIG pada mesin diesel empat langkah singlecylinder relatif sama.

Saran untuk penelitian selanjutnyaadalah:1. Density bahan bakar CNG lebih rendah dibandingkan bahan bakar premium. Sehingga

diperlukan peralatan tambahan pada saluran intake (turbo) agar dalam penggunaan mesindiesel dual fuel didapatkan performa yang optimal. Mengingat mesin yang dipakai desainawal untuk kendaraan berbahan bakar solar standar.

2. Perlu dilakukan penelitian tentang bahan bakar CNG yang lebih inovatif, mengingatsemakin lama persediaan bahan bakar cair semakin menipis dan banyaknya produsenotomotif yang memproduksi kendaraan dengan bahan bakar CNG sebagai produkbarunya.

DAFTAR PUSTAKA

Aminuddin, Achmad. (2014). Uji Performa Mesin Sinjai Berbahan Bakar Bi-Fuel (Premium-Compressed Natural Gas) dengan Pengaturan Durasi Injeksi dan Air Fuel Ratio,Tesis Magister, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.

Korakiantis, T. Namasivayam, A.M & Crookies, R.J. (2011). Natural-Gas Fueled Spark-Ignition (SI) and Compression-Ignition (CI) EnginePerformance and Emissions,Progress in Energy and Combustion Science, 37,89-112.

Lounici, M. Said. Loubar, Khaled. Tarabet, Lyes. Balistrou, Mourad. Niculescu, D. Catalin.and Tazerout, Mohand. (2014). Towards Improvement of Natural Gas-Diesel DualFuel Mode: An Experimental Investigation on Performance and Exhaust Emissions,Energi, 64, 200-211.

Tamam, Zuhri. (2015).Karakterisasi Unjuk Kerja Mesin Diesel Generator Set Sistem DualFuel Solar dan Syngas Batubara, Tesis Magister, Institut Teknologi SepuluhNopember, Surabaya.

Warsita, Aris. (2012), Pengaruh Injection Timing dan Prosentase Campuran Minyak Dieseldengan Bahan Bakar Biodiesel terhadap Karateristik Mesin dan Emisi Gas Buang,TRAKSI, 12, 1-15.

karakterisasi performa mesin diesel dual …mmt.its.ac.id/download/semnas/semnas xxiii/mi/26....

Documents