SIMULASI UJI PERFORMANCE

13
SIMULASI UJI PERFORMANCE PADA MOTOR DIESEL INJEKSI LANGSUNG (1 SILINDER) 677 CC MENGGUNAKAN BAHAN BAKAR DUAL FUEL (DIESEL - SEKAM PADI) Abstrak Indonesia merupakan negara agraris yang besar yang dapat menghasilkan padi dalam jumlah besar sehingga menghasilkan efek samping berupa limbah pertanian sekam padi sangat banyak dan kurang mempunyai nilai ekonomis yang baik. Selain itu Indonesia juga merupakan negara yang mempunyai masalah dengan ketergantungan terhadap minyak bumi dalam mencukupi kebutuhan energi. Menghadapi permasalahan tentang ketersediaan energi dan ketergantungan terhadap minyak bumi maka dilakukan berbagai macam penelitian tentang energi alternatif pengganti minyak bumi. Pergantian energi minyak bumi ada yang dilakukan secara total dengan menggganti sumber bahan bakar yang digunakan tetapi ada juga yang hanya sebagian saja yang diganti. Sebetulnya kedua cara yang digunakan bisa diterapkan semua di Indonesia tergantung kemampuan masing-masing daerah yang ada. Untuk daerah agraris yang menghasilkan beras dengan limbah sekam padi yang banyak maka modifikasi motor diesel yang dikombinasikan dengan gasifier berbahan sekam padi bisa dilakukan. Untuk mengetahui seberapa jauh teknologi gasifier yang dikombinasikan dengan sekam padi maka pada penelitian ini dilakukan simulasi uji performance motor bakar diesel yang menggunakan dual fuel (diesel-sekam padi). Penelitian ini dilakukan dengan cara simulasi termodinamika 1D dengan memodelkan motor bakar diesel 1 silinder dengan kapasitas 667 CC pada putaran sebesar 3000 rpm dengan variabel konsumsi bahan bakar yang berbeda-beda. Pemilihan cara

Transcript of SIMULASI UJI PERFORMANCE

Page 1: SIMULASI UJI PERFORMANCE

SIMULASI UJI PERFORMANCEPADA MOTOR DIESEL INJEKSI LANGSUNG (1 SILINDER) 677 CC

MENGGUNAKAN BAHAN BAKAR DUAL FUEL (DIESEL - SEKAM PADI)

AbstrakIndonesia merupakan negara agraris yang besar yang dapat menghasilkan padi dalamjumlah besar sehingga menghasilkan efek samping berupa limbah pertanian sekam padi sangatbanyak dan kurang mempunyai nilai ekonomis yang baik. Selain itu Indonesia juga merupakannegara yang mempunyai masalah dengan ketergantungan terhadap minyak bumi dalammencukupi kebutuhan energi. Menghadapi permasalahan tentang ketersediaan energi danketergantungan terhadap minyak bumi maka dilakukan berbagai macam penelitian tentangenergi alternatif pengganti minyak bumi. Pergantian energi minyak bumi ada yang dilakukansecara total dengan menggganti sumber bahan bakar yang digunakan tetapi ada juga yanghanya sebagian saja yang diganti. Sebetulnya kedua cara yang digunakan bisa diterapkansemua di Indonesia tergantung kemampuan masing-masing daerah yang ada. Untuk daerahagraris yang menghasilkan beras dengan limbah sekam padi yang banyak maka modifikasimotor diesel yang dikombinasikan dengan gasifier berbahan sekam padi bisa dilakukan. Untukmengetahui seberapa jauh teknologi gasifier yang dikombinasikan dengan sekam padi makapada penelitian ini dilakukan simulasi uji performance motor bakar diesel yang menggunakandual fuel (diesel-sekam padi). Penelitian ini dilakukan dengan cara simulasi termodinamika 1Ddengan memodelkan motor bakar diesel 1 silinder dengan kapasitas 667 CC pada putaransebesar 3000 rpm dengan variabel konsumsi bahan bakar yang berbeda-beda. Pemilihan carasimulasi dikarenakan dengan simulasi maka diperoleh hasil yang cepat , akurat dan biaya yangdibutuhkan lebih murah daripada yang dilakukan di laboratorium. Bahan bakar yangdigunakan adalah kombinasi diesel/solar dengan gas hasil gasifier berupa CO sebesar 18 - 22% , hidrogen sebesar 15-19 %, methane 1-5 % dan nitrogen sebesar 45-55% . Dari data hasilyang diperoleh diproleh dibandingkan IMEP, bsfc dan Daya dari masing – masing variasi

Page 2: SIMULASI UJI PERFORMANCE

bahan bakar.Kata Kunci : Motor Diesel, Sekam Padi, Simulasi, Uji Performance

PENDAHULUANIndonesia merupakan negara agraris yang besar yangdapat menghasilkan padi dalam jumlah besar sehinggamenghasilkan efek samping berupa limbah pertaniansekam padi sangat banyak dan kurang mempunyai nilaiekonomis yang baik. Selain itu Indonesia jugamerupakan negara yang mempunyai masalah denganketergantungan terhadap minyak bumi dalammencukupi kebutuhan energi. Menghadapipermasalahan tentang ketersediaan energi danketergantungan terhadap minyak bumi maka dilakukanberbagai macam penelitian tentang energi alternatifpengganti minyak bumi.

Banyak studi intensif dilakukan untuk mendapatkanbahan bakar alternatif diantaranya alkohol (metanol,etanol, butanol), bahan bakar gas (Compressed NaturalGas(CNG), Liquified Petroleum Gas (LPG)), biogas,dan gas hasil proses gasifikasi (gas produser). Salahsatu cara pemanfaatan gas sebagai bahan bakar padamotor diesel adalah konversi motor diesel menjadimotor berbahan bakar gas. Secara umum metodekonversi yang dilakukan ada 2 cara, yaitu Gasdedicateddan Dual Fuel, seperti ditunjukkan pada

Prosiding Seminar Nasional Teknoin 2008Bidang Teknik Mesin

Gambar 1. Metode Konversi Motor Diesel

Pada Gas-dedicated yang penyalaannya menggunakanbusi, campuran udara-bahan bakar harus selaludikontrol mendekati campuran stoikiometrik untuk

Gas dedicated

busi Stokiometri rik

Diesel dual fuel

Diesel pilot injection

Miskin (lean)

Page 3: SIMULASI UJI PERFORMANCE

mencegah misfiring. Hal ini mengakibatkan rugi-rugipemompaan (pumping loss) yang disebabkan olehpengaturan katup udara (throttle valve) pada saatberoperasi pada beban ringan. Dibandingkan denganmotor diesel yang beroperasi pada campuran denganudara lebih, tipe CNG-dedicated mempunyaitemperatur gas buang yang tinggi karena selaluberoperasi pada daerah campuran stoikiometrik. Hal iniakan meningkatkan temperatur komponen pada ruangbakar seperti piston, ring piston dan katup buang.Disamping itu, untuk mencegah terjadinya ketuk(knocking), rasio kompresi harus dipertahankan pada12 atau lebih rendah (Ishida, A., 2001).Pada motor diesel dual fuel, sejumlah kecil bahanbakar diesel disemprotkan untuk membantu terjadinyapenyalaan gas. Gas merupakan bahan bakar utamasehingga emisi gas buang yang dihasilkan lebih baikdaripada diesel. Selain itu, campuran dipertahankanpada kondisi campuran miskin (lean) sehinggatemperatur pembakaran lebih rendah daripada CNGdedicated.Akibatnya umur komponen bisa lebih lama.Keuntungan lain dari sistem dual fuel adalah apabilapasokan gas terhambat, motor bisa beroperasi sepertimotor diesel bisa dengan 100% bahan bakar diesel.Untuk daerah agraris yang menghasilkan beras denganlimbah sekam padi yang banyak maka modifikasimotor diesel yang dikombinasikan dengan gasifierberbahan sekam padi bisa dilakukan. Untukmengetahui seberapa jauh teknologi gasifier yangdikombinasikan dengan sekam padi maka padapenelitian ini dilakukan simulasi uji performance motorbakar diesel yang menggunakan dual fuel (dieselsekampadi). Operasi dual fuel dengan mengunakanenergy alternatif sudah pernah dilakukan dandilaporkan bisa dengan baik mengkonversi bahan bakarsolar. Penghematan bahan bakar yang bisa dilakukanmencapai 70 % sampai 90 % . Kandungan gasproducer yang dipakai pada penelitian ini adalah COsebesar 18 - 22 % , hidrogen sebesar 15-19 %, methane1-5 % dan nitrogen sebesar 45-55%(S.C.Bhattacharya,2001). Tetapi pada simulasi motorbakar diesel dual fuel bahan bakar yang dimasukkanhanya CO dan Hidrogen saja. Adapun komposisi gasproducer yang dimasukkan memakai variasi 30, 50, 70dan 90 % berbanding dengan bahan bakar solar .

Page 4: SIMULASI UJI PERFORMANCE

Gambar 2. Diagram Motor Bakar Biosekam

METODOLOGISimulasi motor bakar dengan menggunakan berbagaiperangkat lunak (soft-ware) komputer sudah banyakdigunakan untuk memprediksi unjuk kerja motor padaberbagai titik operasi dan pada berbagai kondisi. Selainitu simulasi juga bisa digunakan untuk menganalisisproses termodinamika dari suatu motor tertentu.Simulasi motor bakar torak memerlukan modelmatematik untuk memodelkan proses-proses yangterjadi pada motor bakar torak. Proses-proses tersebutantara lain; proses aliran gas dan proses pembakaran.Kedua proses tersebut merupakan proses utama padamotor bakar torakPada umumnya model matematik untuk aliran gas darimotor bakar torak dapat diklasifikasikan dalam

beberapa kelompok; model zero dimensional, modelkuasi dimensional, model satu dimensional dan modelmultidimensional. Model dimensionalmempertimbangkan variasi spasial dan temporal darikecepatan, temperatur dan medan tekanan. Sedangkanuntuk pemodelan poses pembakaran digunakan modeltemodinamika satu zona (single zone) atau modeltermodinamika multi zona (multi zone)(Heywood,1998).

Tabel 1. Spesifikasi motor bakar diesel HatzSpesifikasi DimensiDiameter Silinder 100 mm

Panjang Langkah 85 mmRasio Tekanan 20.5Daya Maksimum 11 kWTorsi 38 NmVolume Ruang Bakar 0.667 l

Page 5: SIMULASI UJI PERFORMANCE

Pendekatan sederhana untuk memodelkan prosespembakaran adalah spesifikasi langsung dari pelepasanenergi panas. Terdapat beberapa model untukpendekatan laju pelepasan energi panas, yaitu: fungsiVIBE (VIBE Function), fungsi VIBE ganda (doubleVIBE Function), Vibe 2 Zone, Woschni/Anisits,Hiroyasu ,AVL MCC dan lain-lain. Pada penelitian inidipilih model pembakaran VIBE 2 Zone karena bisamenerima masukan data multi bahan bakar yangdipakai dan menghasilkan nilai emisi gas buang. Motorbakar yang dimodelkan pada penelitian ini mempunyaispesifikasi seperti tercantum pada tabel 1.

Gambar 3. Motor Bakar Reseacrh Diesel 1 silinderHatz

Pra-Prosesor (Pre-Processor)

Page 6: SIMULASI UJI PERFORMANCE

Gambar 4. Model simulasi termodinamika 1 D danmodel multi fuel bahan baker

Semua data masukan pada AVL BOOST (AVL-UserGuide ,2003) yang mencantumkan semua elemen datadari model yang akan dihitung. Pada setiap elemendata masukan, dimensi dari setiap data masukan harusdiberikan secara eksplisit. Model motor bakar Hatz 1silinder yang telah dibuat dapat dilihat pada gambar 4.Data yang harus dimasukkan dalam silinder adabanyak hal antara lain bore, stroke, jumlah silinder,panjang con rod, manifold , ratio kompresi, urutan danwaktu pembakaran,jumlah valve, diameter inner valveseat , kurva tinggi bukaan katup ,laju aliran udara padaport, sistem intake , sistem exhaust (Klell, 1998) danmasih banyak lagi yang lainnya.Simulasi pengujian ini memakai berbagai variasiputaran mesin yaitu 1500 dan 3000 rpm denganberbagai variasi beban pada 5, 10, 15 , 20 dan 30 Nm .Data- data yang harus dimasukkan dalam model vibe 2Zone terlihat pada gambar 5.

Page 7: SIMULASI UJI PERFORMANCE

Gambar 5. Pengisian model data untuk combustion(VIBE 2 zone)

Pada model combustion data yang dimasukkan adalahstart of combustion, combustion duration, shapeparameter (m) dan parameter (a). Semua data di atastergantung jenis motor bakar yang dimodelkan.Selain itu juga harus dimasukkan data-data daridimensi liner, piston dan cilinder head, bore, stroke,jumlah silinder, panjang con rod, manifold, ratiokompresi, urutan dan waktu pembakaran,jumlah valve,diameter inner valve seat, kurva tinggi bukaan katup,laju aliran udara pada port, sistem intake, sistemexhaust dan masih banyak lagi yang lainnya.

Program Penghitungan Utama (MainCalculation Program)

Pada main calculation program terdapat algoritmauntuk semua elemen yang disimulasikan. Aliran dalampipa diperlakukan sebagai aliran satu dimensi. Hal iniberarti harga-harga tekanan, temperatur, dan kecepatanaliran yang diperoleh dari solusi persamaan gasdinamik merupakan harga rata-rata terhadap potonganmelintang dari pipa. Kerugian aliran karena efek tigadimensi pada suatu lokasi di tertentu diakomodasikandengan harga koefisien aliran yang mempunyai hargamaksimum 1.

HASIL DAN PEMBAHASANSimulasi yang telah dilakukam menghasilkan dataperformance pengujian motor bakar berupa IMEP(bar), bsfc (gr/kW.jam) dan daya (kW). Sedangkanuntuk emisi gas buang dapat kita peroleh kandungan

Page 8: SIMULASI UJI PERFORMANCE

Nox (gr/kW.jam) dan soot (gr/kW.jam).Nilai konsumsi bahan bakar per satuan daya (bsfc)yang dihasilkan menunjukkan bahwa bahan bakarbiosekam menunjukkan nilai yang lebih besar daripadabahan bakar diesel. Hal ini bisa dilihat pada grafik bsfc(gambar 6).

Gambar 6. Grafik bsfc (g/kW.h) – beban (Nm)

Gambar 7. Perbandingan bsfc pada dual fuel

Ini terjadi karena bahan bakar biosekam yang terdiridari sebagian besar carbon monoxide dan hydrogenmempunyai kandungan nilai kalor ( LHV biosekam =18500 kJ/kg) yang lebih rendah daripada bahan bakardiesel (LHV diesel = 42450 kJ/kg). Jika dilihat darinilai ekonomis dimana bahan bakar biosekam yangdipakai tidak perlu mengeluarkan biaya karenamerupakan hasil pemanfaatan limbah pertanian makapemakain bahan bakar biosekam mempunyai nilai yanglebih baik.

Prosentase bahan bakar diesel yang dihemat padapenelitian ini bisa dihitung dengan perhitungan sebagaiberikut :

Page 9: SIMULASI UJI PERFORMANCE

Dari hasil simulasi juga bisa kita peroleh nilai NOxyang dihasilkan baik untuk bahan bakar biosekam -diesel daripada bahan bakar diesel. Nilai NOx yangdiperoleh dari simulasi bisa kita lihat pada grafikbatang di bawah ini :

Gambar 8. Nilai NOx pada setiap bahan baker

Selain itu grafik di bawah ini dapat memperlihatkanterjadinya deformasi NOx pada beban 30 Nm putaran 3000 rpm:

Gambar 9. NOx formation pada beban 30 Nm putaran3000 rpm

Dari kedua grafik di atas dapat diambil kesimpulanyang menunjukkan nilai emisi NOx yang dihasilkanoleh semua komposisi bahan bakar biosekam yangdipakai lebih rendah daripada bahan bakar diesel. Halini terjadi karena temperatur di ruang bakar yangdihasilkan juga lebih rendah .Untuk lebih jelasnya bisakita lihat grafik temperatur di bawah ini :

Page 10: SIMULASI UJI PERFORMANCE

Gambar 10. Temperature di Ruang Bakar pada beban30 Nm putaran 3000 rpm

Dari grafik di atas diperoleh kesimpulan hasil yangdiperoleh menunjukkan terjadinya reduksi NOxsebesar 98 %. Produksi NOx disebabkan olehbanyaknya bahan bakar yang disemprotkan yangmengenai dinding ruang bakar sehingga pada waktu dikompresi menyebabkan temperatur ruang bakartinggi.Kenaikan temperatur di ruang bakar inilah yangmenyebabkan deformasi NOx. Sedangkan untuk emisisoot yang terjadi biasanya berbanding terbalik denganemisi NOx tetapi hal ini nilai emisi soot tidakmenunjukkan kenaikan yang tinggi. Hal ini bisa dilihatpada gambar di bawah ini :

Gambar 11. Nilai soot pada setiap beban

KESIMPULANDari penelitian yang telah dilakukan bisa kita ambilbeberapa kesimpulan antara lain sebagai berikut :1. Dari tiga grafik uji performance bsfc yang

menunjukkan parameter prestasi mesinmenunjukkan terjadi kenaikan nilai bsfc padabahan bakar dula fuel diesel-biosekam, ini terjadikarena bahan bakar biosekam yang terdiri darisebagian besar carbon monoxide dan hydrogen

Page 11: SIMULASI UJI PERFORMANCE

mempunyai kandungan nilai kalor ( LHVbiosekam = 18500 kJ/kg) yang lebih rendahdaripada bahan bakar diesel (LHV diesel = 42450kJ/kg)., tetapi karena bahan bakar biosekamdidapatkan secara cuma-cuma maka pemaikanbahan bakar dual fuel diesel-gas lebih murah..

2. Hasil yang diperoleh menunjukkan terjadinyareduksi NOx sebesar 98 % pada semua variabelbahan bakar biosekam. Produksi NOx disebabkanoleh banyaknya bahan bakar yang disemprotkan waktu di kompresi menyebabkan temperatur ruangbakar tinggi.Kenaikan temperatur di ruang bakarinilah yang menyebabkan deformasi NOx.

3. Sedangkan untuk emisi soot yang terjadi biasanyaberbanding terbalik dengan emisi NOx tetapi halini nilai emisi soot tidak menunjukkan kenaikanyang tinggi.