laporan akhir insentif sistem inovasi nasional (sinas)...

LAPORAN AKHIR

INSENTIF SISTEM INOVASI NASIONAL (SINAS) TAHUN 2014

IDENTITAS :

RT-2014-0391

Judul Topik Penelitian

DESAIN COUPLING DAN MIXER VARIABLE UNTUK MEMPERCEPAT

PEMANFAATAN LPG SEBAGAI BAHAN BAKAR ANGKUTAN UMUM

SERTA PEMILIHAN VAPORIZER YANG SESUAI

Bidang Prioritas Iptek :

TEKNOLOGI TRANSPORTASI

Jenis Insentif Riset :

RISET TERAPAN (RT)

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MAGELANG

Kampus I : Jalan Tidar No. 21 Magelang 56126 Telpon (0293) 362082 Fax. (0293) 361004 Kampus 2 : Jalan Mayjend Bambang Soegeng Km. 5 Mertoyudan Magelang 56172 Telp. (0293) 326945

2014

i

LEMBAR IDENTITAS DAN PENGESAHAN

1. Judul topik penelitian : Desain Coupling dan Mixer Variable untuk

Mempercepat Pemanfaatan LPG Sebagai

Bahan Bakar Angkutan Umum serta

Pemilihan Vaporizer yang Sesuai

2. Bidang Prioritas Iptek : Teknologi Transportasi

3. Jenis Insentif Riset : Riset Terapan (RT)

4. Lokasi penelitian : Laboratorium Mesin Otomotif

Universitas Muhammadiyah Magelang.

5. Nama Peneliti Utama : Muji Setiyo,ST, MT

6. Nama Lembaga/

Institusi

: Lembaga Penelitian

Universitas Muhammadiyah Magelang

7. Unit Organisasi : Program Studi Mesin Otomotif

Fakultas Teknik

8. Alamat : Jalan Mayjend Bambang Soegeng Km. 5

Mertoyudan Magelang 56172 Telp. (0293)

326945 Fax. Pesawat 111

9. Telepon/HP/Fax/e-mail : 081328648046 // e-mail :

[email protected]

Magelang, 3 September 2014 Kepala Pusat Penelitian

Universitas Muhammadiyah Magelang

Dra. Kanthi Pamungkas Sari, M.Pd

NIDN. 0626046902

Ketua Peneliti,

Muji Setiyo, ST, MT

NIDN. 0627038302

mailto:[email protected]

ii

RINGKASAN

Permasalahan aplikasi LPG untuk kendaraan dengan converter kit konvensional adalah terjadi penurunan daya mesin karena vaporizer tidak dilengkapi dengan sistem tenaga (power system) saat beroperasi pada beban berat. Salah satu solusinya adalah dengan pengembangan model mixer yang bekerja dinamis untuk mengatur aliran LPG dan udara ke mesin secara otomatis menyesuaikan dengan kebutuhan mesin dan kondisi kerja mesin. Mekanisme pengaturan campuran LPG – udara didasarkan pada data kevakuman, putaran mesin, dan tingkat bukaan throtle valve. Di Indonesia, program konversi BBM ke LPG untuk angkutan umum mutlak diperlukan untuk mengurangi beban subsidi pemerintah dan mendukung realisasi skenario energi bauran nasional tahun 2025.

Metode pemecahan masalah yang digunakan adalah metode eksperimen yang terdiri dari tiga tahapan. Tahap pertama adalah pengembangan model mixer yang meliputi kegiatan desain dan penyiapan material prototype. Tahap kedua meliputi kegiatan pembuatan prototiype dan pengujiannya pada kondisi simulasi dan kondisi nyata dengan berbagai tingkat variasi kekencangan pegas diafragma. Tahap ketiga terdiri dari kegiatan analisis hasil pengujian, pengolahan data dan optimasi.

Hasil yang diperoleh selama kegiatan penelitian ini adalah sebuah prototype mixer dinamis untuk kendaraan berbahan bakar gas. Hasil pengujian pada unit chassis dynamometer menunjukkan bahwa mixer yang dikembangkan menghasilkan torsi dan daya mesin yang lebih tinggi daripada mixer standar untuk kondisi kerja kendaraan secara umum.

Kata kunci : Kendaraan LPG, Mixer Dinamis, Daya Mesin

iii

KATA PENGANTAR

Puji syukur dipanjatkan ke hadirat Allah SWT, karena atas nikmat dan

karunia-Nya kegiatan Riset Sinas tahun ke-dua yang berjudul Desain

Coupling dan Mixer Variable untuk Mempercepat Pemanfaatan LPG Sebagai

Bahan Bakar Angkutan Umum serta Pemilihan Vaporizer yang Sesuai ini,

dapat diselesaikan dengan baik.

Pelaksanaan penelitian ini dibantu dan didukung oleh sejumlah pihak.

Oleh karena itu diucapkan terimakasih kepada :

1. Dra. Kanthi Pamungkas Sari, M.Pd. selaku Kepala pusat penelitian

Universitas Muhammadiyah Magelang , yang telah memberikan

pengarahan dan monitoring selama pelaksanaan kegiatan penelitian.

2. Oesman Raliby, ST, M.Eng. selaku dekan Fakultas Teknik Universitas

Muhammadiyah Magelang dan reviewer 1 monevin yang telah

memberikan pengarahan dan fasilitas selama kegiatan.

3. Saifudin, ST, M.Eng, selaku Ketua Program studi Mesin otomotif dan

reviewer 2 monevin yang telah memberikan dukungan.

Akhir kata semoga hasil penelitian ini dapat bermanfaat bagi pihak-

pihak terkait, dan koreksi maupun saran sangat diharapkan untuk

penyempurnaannya.

Magelang, 16 November 2014

Muji Setiyo, ST, MT NIDN. 0627038302

iv

DAFTAR ISI

LEMBAR IDENTITAS DAN PENGESAHAN ...................................................................... i

RINGKASAN ................................................................................................................................... ii

KATA PENGANTAR ................................................................................................................... iii

DAFTAR ISI .................................................................................................................................... iv

DAFTAR TABEL ............................................................................................................................. v

DAFTAR GAMBAR ..................................................................................................................... vi

DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................................................ vii

BAB 1. PENDAHULUAN ..................................................................................................... 1

1.1. Latar Belakang ........................................................................................................... 1

1.2. Permasalahan ............................................................................................................. 4

1.3. Lingkup dan Batasan Penelitian ........................................................................ 4

BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA .......................................................................................... 5

2.1. Tinjauan Pustaka ....................................................................................................... 5

2.2. Penelitian Relevan .................................................................................................. 10

BAB 3. TUJUAN DAN MANFAAT ................................................................................ 12

3.1. Tujuan ........................................................................................................................... 12

3.2. Manfaat ........................................................................................................................ 12

BAB 4. METODE .................................................................................................................. 13

4.1. Kegiatan Penelitian Tahap 1 .............................................................................. 14



BAB 5. RENCANA CAPAIAN, HASIL DAN PEMBAHASAN ........................... 17

5.1. Rencana Capaian ................................................................................................... 17

5.2. Hasil dan Pembahasan ........................................................................................ 18

BAB 6. KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................................. 23

6.1. Kesimpulan ................................................................................................................... 23

6.2. Saran ............................................................................................................................... 23

DAFTAR PUSTAKA................................................................................................................... 24

v

DAFTAR TABEL

Tabel 4-1 Alat dan bahan kegiatan penelitian tahap 1 .............................................14

Tabel 5-1 Rencana capaian penelitian .............................................................................17

vi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2-1 Bentuk Fisik Vaporizer ............................................................... 6

Gambar 2-2. LPG mixer ................................................................................. 8

Gambar 2-3 Grafik penyesuaian pengapian pada mesin LPG ....................... 9

Gambar 4-1 Flow Chart Penelitian ............................................................... 13

Gambar 4-2 Instalasi LPG ............................................................................ 15

Gambar 4-3 Skema pengujian pada chassis dynamometer ......................... 16

Gambar 5-2 Desain Mixer yang dikembangkan (Final, assembly) ............... 18

Gambar 5-1 Desain Mixer yang dikembangkan (awal) ................................ 18

Gambar 5-3 Desain Mixer yang dikembangkan (Final, parts) ...................... 19

Gambar 5-4 Proses pembuatan prototype ................................................... 20

Gambar 5-7 Hasil Uji pada chassis dynamometer ....................................... 21

Gambar 5-5 Pemasangan mixer variabel pada mesin ................................. 21

Gambar 5-6 Pengujian performa pada chassis dynamometer ..................... 21

vii

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Foto kegiatan penelitian ................................................................................25

Lampiran 2. Desain mixer yang dikembangkan ...........................................................26

Lampiran 3. Desain mixer yang dikembangkan (lanjutan) ......................................27

Lampiran 4. Desain mixer yang dikembangkan (lanjutan) ......................................28

Lampiran 5. Log book penelitian .........................................................................................29

1

BAB 1. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang

Salah satu upaya untuk menurunkan konsumsi bahan bakar minyak

(BBM) untuk sektor transportasi di Indonesia adalah dengan cara konversi ke

bahan bakar gas (BBG). Program konversi ini dapat mengurangi beban

subsidi pemerintah dan sekaligus mendukung skenario energi bauran

nasional tahun 2025 dengan rencana penggunaan gas hingga diatas angka

30 % dan mengurangi konsumsi minyak ke angka 26 %. Saat ini, jenis bahan

bakar gas yang dapat diaplikasikan adalah Compression Natural Gas (CNG)

dan Liquefied Petroleum Gas (LPG) atau dikenal dengan Liquefied Gas

Vehicle (LGV). Perkembangan konversi bahan bakar minyak ke bahan bakar

gas baik CNG maupun LPG di Indonesia hinggga tahun 2013 belum terlihat

secara nyata. Infrastruktur utama seperti stasiun pengisian bahan bakar gas

dan perangkat konversi yang belum mendukung merupakan kendala dalam

pengembangan ini. Namun demikian, pemakaian LPG kemasan tabung

dapat dijadikan sebagai solusi jangka pendek sambil menunggu

pembangunan infrastruktur oleh pemerintah. Hal ini juga pernah dilakukan di

Thailand pada awal program konversi walaupun dengan sedikit

ketidaknyamanan (Samosir, 2011).

LPG merupakan bahan bakar alternatif yang paling banyak digunakan

dan diterima sebagai pengganti bahan bakar minyak di sektor transportasi.

Sejumlah negara saat ini memiliki perkembangan yang signifikan. Konsumsi

global dari LPG mencapai 22,9 juta ton pada tahun 2010, dan meningkat

sangat cepat. Permintaan meningkat sebesar 8,5 Mt atau sekitar 59% antara

tahun 2000 sampai dengan tahun 2010. Walaupun demikian, permintaan

yang besar terkonsentrasi hanya pada beberapa negara, belum mewakili dari

keseluruhan negara di setiap benua. Korea, Turki, Rusia dan Polandia

menjadi peringkat teratas dalam konsumsi LPG sebagai bahan bakar

kendaraan selama periode tahun 2000 sampai tahun 2010 (World Liquefied

Petroleum Gas Association/ WLPGA, 2012).

2

LPG di banyak negara sebagai bahan bakar yang paling penting,

karena efisiensi yang tinggi, harganya lebih murah dari bensin, dan ramah

lingkungan. Kandungan racun dari LPG termasuk yang paling rendah dari

semua bahan bakar otomotif tersedia secara komersial saat ini. Selain itu,

efek gas rumah kaca dari LPG umumnya lebih rendah dibandingkan dari

bensin, diesel dan beberapa bahan bakar alternatif. LPG memiliki beberapa

keunggulan dari segi teknis dan ekonomis. Tekanan LPG dalam tangki

antara 1,0 sampai 1,2 MPa, sedangkan CNG mencapai sekitar 20 MPa. Dari

sisi besarnya tekanan dalam tangki dan faktor ketersediaan didaerah dalam

kemasan tabung, LPG relatif lebih aman untuk dikembangkan sebagai bahan

bakar alternatif kendaraan di Indonesia. Harga per unit massa yang relatif

lebih rendah dari pada bensin, menjadikan LPG sangat cocok untuk

diaplikasikan pada angkutan umum (Setiyo, 2012).

Saat ini, ada lebih dari 17,4 juta kendaraan LPG digunakan dan

menghiasi jalan jalan diseluruh dunia sebagai kendaraan yang lebih ramah

lingkungan dengan lebih dari 57.000 stasiun pengisian bahan bakar

(WLPGA, 2012). Sementara di Indonesia, jumlah kendaraan lebih dari 85

juta unit yang meliputi kendaraan penumpang, bus, truk, dan sepeda motor

(www.bps.go.id, 2012). Hampir seluruh jenis kendaraan tersebut

menggunakan bahan bakar minyak. Dari jumlah total tersebut, lebih dari 8

juta unit merupakan kendaraan penumpang yang potensial untuk dikonversi

ke bahan bakar LPG dengan sistem bifuel ataupun dengan sistem full

dedicated. Dengan harga LPG ritel kemasan tabung berkisar Rp 6.000 / kg

dan LGV sebesar Rp. 5.600 / lsp, lebih murah daripada harga pertamax yang

berkisar Rp. 10.000 / liter. Sebagai catatan, Kandungan energi LPG sebesar

46.23 MJ/kg dan 26 MJ/l , sedangkan kandungan energi bensin sebesar 44.4

MJ/kg dan 34,8 MJ/l dengan nilai oktan LPG diatas 108 (ETSAP, 2010).

Dari perspektif keamanan energi, LPG memiliki keunggulan

dibandingkan bahan bakar konvensional. Cadangan LPG berlimpah dari

berbagai sumber di seluruh dunia. Selain berasal dari cadangan minyak dan

gas, fleksibilitas proses penyulingan yang modern menawarkan potensi

besar untuk memperluas pasokan untuk memenuhi permintaan dari sektor

transportasi. Pasokan LPG diperkirakan akan meningkat cepat dalam

http://www.bps.go.id/

3

beberapa tahun ke depan seiring dengan pertumbuhan produksi gas alam

dan ekstraksi cairan terkait (WLPGA, 2012). Beberapa alasan diatas

mempertegas perlunya pemerintah mempercepat eksekusi program

kebijakan konversi ke LPG.

Penelitian mengenai LPG sebagai bahan bakar kendaraan sudah

banyak ditemukan. Penggunaan LPG kaitannya dengan performa mesin

dilakukan oleh, Rohmat (2003), M.A. Ceviz (2006), Yew Heng Teoh (2011),

dan Setiyo (2012). Penelitian yang berkaiatan dengan emisi gas buang

dilakukan oleh Mockus (2006), Mandloi (2010), Tasik (2011), dan Shankar

(2011). Sementara penelitian yang berkaiatan dengan penyesuaian

komponen mesin mesin dilakuan oleh Dziubiński (2007), Bosch (2008), dan

Lejda (2008). Dari penelitian tersebut, diperoleh bahwa performa mesin LPG

dapat ditingkatkan dari tahun ke tahun melalui mekanisme optimasi dan

hampir menyamai performa mesin bensin. Dari sisi emisi gas buang, LPG

lebih rendah daripada bensin khususnya kandungan CO dan HC.

Dari hasil penelusuran pustaka yang dilakukan, diperoleh generasi

terbaru dari teknologi kendaraan LPG hampir setara dengan teknologi

Electronic Fuel Injection (EFI). Namun demikian konsep ini lebih cocok

diaplikasikan pada kendaraan produksi baru yang sudah mengakomodasi

bahan bakar gas seperti yang dilakukan Ford dan General Motors yang

memasarkan berbagai pilihan mobil LPG di Australia, seperti halnya Hyundai

dan Kia di Korea Selatan. Jika model ini diaplikasikan pada kendaraan lama,

kerugian muncul karena harus merusak sistem pemasukan untuk

menempatkan injektor.

Kenyataan yang berbeda terjadi di Indonesia, sebagian besar armada

angkutan umum masih menggunakan mesin karburator. Teknologi EFI

terbatas untuk armada taksi dan sebagian angkutan umum generasi baru.

Padahal, converter kits impor produksi Korea, Itali, atau Turki sebenarnya

didesain untuk mobil injeksi, sehingga jika diaplikasikan pada mobil

karburator harus dilakukan penyesuaian pada beberapa komponen converter

kits seperi mixer dan fuel selector. Hingga saat ini, penelitian lebih banyak

berkaitan dengan optimasi penyetelan dan pemodelan berbagai bentuk

aliran.

4

1.2. Permasalahan

Secara garis besar permasalahan teknis pengembangan mobil LPG di

Indonesia, khususnya penerapan pada angkutan pedesaan dan

pegunungan, antara lain adalah sebagai berikut :

1. Topografi wilayah di Indonesia sangat beragam, mulai dataran hingga

pengunungan dengan kondisi jalan yang juga beragam.

2. Sistem pemasukan gas LPG pada converter kits konvensional

dikendalikan oleh tingkat kevakuman mesin. Angkutan umum

khususnya di pedesaan dan pegunungan beroperasi dengan beban

berat. Pada saat beban berat ( bukaan throtle valve besar dan putaran

mesin rendah), kevakuman mesin berkurang sehingga suplai gas juga

berkurang. Padahal pada kondisi ini butuh bahan bakar yang banyak.

Dari permasalahan diatas, maka salah satu solusinya adalah

pengembangan model mixer yang dapat mengatur aliran LPG dan udara

ke mesin secara otomatis menyesuaikan dengan kebutuhan mesin dan

kondisi kerja mesin.

1.3. Lingkup dan Batasan Penelitian

Penelitian ini menggunakan metode eksperimen yang terdiri dari tiga

tahapan, yaitu :

1. Tahap 1, pengembangan model mixer yang meliputi kegiatan desain

dan pemilihan material.

2. Tahap 2, pembuatan prototiype pada berbagai ukuran dan

pengujiannya pada kondisi simulasi dan kondisi nyata dengan

berbagai tingkat variasi kekencangan pegas kurucut pengatur

kevakuman.

3. Tahap 3, analisis hasil pengujian, pengolahan data dan optimasi.

5

BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Tinjauan Pustaka

2.1.1. Karakteristik LPG sebagai bahan bakar kendaraan

LPG diperoleh dari hidrokarbon yang dihasilkan selama penyulingan

minyak mentah dan dari komponen gas alam. Komponen LPG didominasi

propana (C3H8) dan butana (C4H10). LPG juga mengandung hidrokarbon

ringan lain dalam jumlah kecil, misalnya etana (C2H6) dan pentana (C5H12)

(Brevitt, 2002). Kandungan energi LPG sebesar 46.23 MJ/kg dan 26 MJ/l ,

sedangkan kandungan energi bensin sebesar 44.4 MJ/kg dan 34,8 MJ/l.

Dibandingkan dengan bensin, LPG memiliki kandungan energi per satuan

massa relatif tinggi, tetapi kandungan energi per satuan volumenya rendah

(IEA ETSAP, 2010).

LPG memiliki nilai oktan 112 yang memungkinkan untuk diterapkan

pada mesin dengan perbandingan kompresi yang lebih tinggi sehingga

memberikan efisiensi thermal yang lebih tinggi pula. Dengan harga LPG per

satuan volume yang lebih rendah dari harga bensin (non-subsidi), biaya

operasional mesin LPG lebih rendah dan memiliki karakteristik ramah

lingkungan. Oleh karena itu LPG menjadi alternatif energi yang populer

sebagai pengganti bensin.

LPG memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan bensin.

Konsumsi bahan bakar LPG per satuan volume lebih rendah daripada

bensin. Distribusi gas pada tiap-tiap silinder lebih merata sehingga

percepatan mesin lebih baik dan putaran stasioner lebih halus. Ruang bakar

lebih bersih sehingga umur mesin meningkat. Kandungan karbon LPG lebih

rendah daripada bensin atau diesel sehingga menghasilkan CO2 yang lebih

rendah (R.R. Saraf, 2009).

Dari beberapa keunggulan di atas, aplikasi LPG sebagai bahan bakar

kendaraan memiliki beberapa kelemahan diantaranya bahwa mesin

berbahan bakar LPG umumnya menghasilkan daya yang lebih rendah

daripada mesin bensin, penurunan daya yang terjadi sekitar 5% -10% (Ceviz

& Yuksel, 2005). Mesin LPG juga memerlukan penyesuaian saat pengapian,

komponen sistem pengapian dan kualitas sistem pengapian (Bosch, 2010).

6

2.1.2. Vaporizer

Salah satu komponen utama dari converter kits adalah vaporizer.

Vaporizer terdiri dari dua bagian utama. Bagian pertama dinamakan

regulator pengatur tekanan dan bagian kedua dinamakan dengan regulator

pengatur aliran. Regulator tekanan disebut juga sebagai reducer, yang

berfungsi untuk menurunkan tekanan LPG dari tabung menjadi tekanan

output. Penurunan tekanan pada regulator mengakibatkan perubahan fasa

LPG dari cair ke gas. Untuk membantu proses penguapan, air pendingin

mesin dialirkan di sekeliling regulator.

Regulator pengatur aliran berupa katup yang dikendalikan oleh

kevakuman throtle body. Katup regulator digerakkan oleh lever. Lever berupa

pengungkit dengan titik tumpu di tengah. Satu ujung dikaitkan dengan

diafragma dan ujung yang lain ditahan oleh pegas. Jumlah gas yang

mengalir dari regulator tekanan ke ruang diafragma dipengaruhi oleh

kekuatan pegas lever dan kevakuman ruang diafragma. Pegas lever dapat

diatur dengan memutar baut penyetel yang terdapat pada bagian luar

vaporizer, kevakuman ruang diafragma tergantung dari kecepatan aliran

udara pada throtle body.

Vaporizer juga dilengkapi dengan katup solenoid dan katup akselerasi

pada vaporizer. Solenoid dikendalikan oleh tegangan listrik dari sistem

kelistrikan kendaraan. Katup aliran gas berfungsi untuk mengatur kapasitas

aliran pada sisi output vaporizer. Katup akselerasi dapat diatur untuk

mengurangi atau menambah luasan saluran output. Salah satu bentuk fisik

vaporizer LPG yang dipakai dalam penelitian ini dapat dilihat pada gambar 1.

Gambar 2-1 Bentuk Fisik Vaporizer (Sumber : Tesla Technologies)

Solenoid

Penyetel pegas lever

Saluran output LPG

Saluran air

Saluran input LPG

7

2.1.3. Mixer

Untuk memasukkan LPG ke saluran manifold, digunakan sebuah

mixer yang dipasang pada sisi depan throtle body. Mixer memiliki beberapa

lubang memanjang yang mengelilingi lingkaran dalam. LPG dalam fasa gas

mengalir dari vaporizer ke mixer melalui katup aliran gas (katup akselerasi).

Mixer memiliki dua fungsi utama yaitu :

1. Memberikan sinyal vakum

Mixer memberikan sinyal kevakuman untuk vaporizer. Sinyal vakum

harus merepresentasikan jumlah udara yang melewati venturi mixer .

Untuk mencapai hal ini mixer harus dirancang secara teliti . Salah satu

komponen yang paling penting adalah venturi . LPG dan udara keluar dari

venturi harus memiliki sudut lebih kurang 8 derajat untuk mencapai rasio

konstan LPG dengan udara .

2. Pencampuran LPG dan udara

Untuk mendapatkan campuran yang cepat, LPG dan udara tidak

hanya harus dalam proporsi yang tepat , tetapi juga dicampur dengan

tepat. Para produsen mixer melakukan inovasi sampai menghasilkan

desain terbaik untuk setiap mobil. Hasilnya, sebagian besar adalah bahwa

mixer memberikan campuran yang tepat hanya pada beban parsial

dan campuran kurus pada beban penuh (Osch, 2013).

Deain mixer yang baik tidak hanya pada bentuknya, tetapi juga

ukuran venturi . Semakin kecil diameter venturi, semakin tinggi sinyal

vakum untuk vaporizer dan semakin akurat aliran LPG . Kerugiannya

adalah efisiensi volumetik mesin akan menurun karena diameter kecil . Ini

seperti seolah-olah mesin hanya dapat bekerja setengah throttle.

Terutama mobil injeksi atau karburator kemungkinan besar akan

mengalami kerugian daya hingga 20 % .

Osch (2013), merekomendasikan ukuran venturi harus minimal 75 %

dari ukuran venturi karburator atau throtle body ( jika mesin EFI ). Lebih

spesifik, ukuran venturi harus berkisar 7.5mm2 dan jika mungkin 10 mm2

untuk setiap HP daya mesin. Beberapa model mixer disajikan dalam

gambar 2 berikut.

8

Gambar 2-2. LPG mixer (Sumber : Mijo Autogas)

2.1.4. Penyesuaian Busi dan Perangkat Pengapian

Penyesuaian perangkat pengapian pada mesin berbahan bakar LPG

meliputi tegangan coil pengapian, jenis busi (heat range value), dan celah

elektroda busi. Tujuan dari penyesuaian ini adalah untuk memperoleh

optimasi pembakaran.

2.1.5. Tinjauan Temperatur Ruang Bakar

Pada mesin dengan bahan bakar bensin, bensin masuk ke ruang

bakar dalam bentuk uap. Selain berfungsi sebagai bahan bakar, bensin

berfungsi sebagai pendingin (evaporative cooling). Bensin membantu

mendinginkan elektroda busi dan komponen ruang bakar yang lain seperti

katup-katup dan dinding ruang bakar. Pada mesin berbahan bakar LPG,

selama LPG dimasukkan sudah dalam bentuk gas, akan terjadi fenomena

pembakaran kering dan tidak menghasilkan efek pendinginan dalam (inner

cooling ). Hal ini menyebabkan ruang bakar dan elektroda busi menjadi lebih

panas (Bosch, 2010).

2.1.6. Tinjauan Tegangan Pengapian

Pembakaran LPG menghasilkan temperatur dan tekanan yang lebih

tinggi dari mesin bensin (untuk mesin yang sama). Pada penyetelan celah

elektroda busi yang sama (10 mm), ini berarti mesin LPG membutuhkan

9

tegangan pengapian yang lebih besar untuk ioninasi (peletikan bunga api

dari elektroda positif ke elektroda negatif) dibandingkan mesin bensin.

Sebagai langkah penyesuaian, dengan tegangan pengapian yang tidak

diubah, maka dilakukan penyesuaian celah elektroda busi dengan cara

mengurangi celah busi untuk mempermudah ionisasi. Mengingat kecepatan

pembakaran LPG lebih rendah daripada bensin, maka diperlukan

penyesuaian saat penyalaan. Untuk mendapatkan MBT yang sama dengan

mesin bensin, saat pengapian dimajukan beberapa derajat engkol. Grafik

ilustrasi penyesuaian pengapian dapat dilihat pada gambar 3

(Sumber : Bosch, 2010)

2.1.7. Penyesuaian nilai panas busi ( heat range )

Pembakaran dengan LPG menghasilkan deposit carbon dan

pengotoran yang lebih sedikit daripada pembakaran bensin. Busi pada mesin

LPG harus dapat mentransfer panas pembakaran ke cylinder head yang

lebih baik, mengingat beban panas yang diterima lebih besar. Dengan alasan

ini, mesin berbahan bakar LPG menggunakan busi dengan nilai panas yang

lebih rendah. Penyesuaian jenis busi ini perlu dilakukan agar kinerja mesin

pada temperatur tinggi tetap terjamin.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

10 20 30 40 50 60

Ignition voltage/ kV

Ignition timing/ 0BTDC

Ignition voltage requirement approx 14 kV

Electrode gap 1.0 mm

+ 15

LPGPETROL

Gambar 2-3 Grafik penyesuaian pengapian pada mesin LPG

10

2.2. Penelitian Relevan

Dziubinski, Walusiak, & Pietrzyk (2007), melakukan penelitian

eksperimental tentang pengujian sistem pengapian pada mobil berbahan

bakar LPG. Salah satu variabel yang diteliti adalah ketergantungan tegangan

sekunder ignition coil pada variasi ukuran celah busi 0,8; 0,9; 1,0; 1,1 mm.

Busi yang digunakan adalah NGK BPR6-ES11. Hasil dari penelitian ini

menyebutkan tegangan sekunder ignition coil paling optimal terjadi pada

celah elektroda busi 0,8 mm dan 1,1 mm.

Kazimierz Lejda, Lejda, & Jaworski (2007), meneliti pengaruh tekanan

injeksi LPG terhadap perubahan kontrol injeksi. Pada penelitian ini LPG

diinjeksikan dalam fasa cair. Beberapa diantara hasil penelitiannya adalah

sebagai berikut :

1. Peningkatan tekanan injeksi memperbesar volume injeksi LPG, meskipun

terjadi pemendekan waktu injeksi oleh unit kontrol.

2. Peningkatan tekanan injeksi menghasilkan peningkatan volume bahan

bakar dan menghasilkan peningkatan emisi CO dan HC pada gas buang.

3. Optimasi emisi beracun dan parameter yang bermanfaat dari mesin

dengan campuran bahan bakar yang berbeda, bahan bakar LPG jauh

lebih sulit daripada bahan bakar bensin.

Saraf, Thipse, & Saxena (2009), melakukan penelitian tentang

perbandingan emisi pada mesin berbahan bakar bensin dan LPG. Penelitian

ini menunjukkan bahwa mesin LPG mengasilkan emisi yang lebih rendah

dari mesin bensin, dengan rincian sebagai berikut.: CO menurun 30% untuk

urban cycle dan 10 % untuk extra urban cycle, HC menurun 30% untuk

urban cycle dan 51 % untuk extra urban cycle, CO2 menurun 10% untuk

urban cycle dan 11 % untuk extra urban cycle, dan NOx menurun 41 % untuk

urban cycle dan 77 % untuk extra urban cycle. Penelitian serupa juga

dilakukan oleh R.R. Saraf (2009) yang menunjukkan penurunan emisi pada

mesin berbahan bakar LPG, meskipun dengan prosentase yang sedikit

berbeda.

Mockus (2006), melakukan analisis komposisi gas buang motor

pembakaran dalam dengan bahan bakar LPG. Tujuan utama dari penelitian

ini untuk mempelajari kerugian daya dan efek terhadap lingkungan. Metode

11

pengukuran daya dan emisi dilakukan langsung pada dinamometer dengan

memasang dinamometer pada roda mobil secara langsung. Objek utama

penelitian ini adalah mesin dengan LPG converter untuk daya maksimum

dan mesin dengan LPG converter untuk minimasi emisi. Salah satu hasil

studi ini adalah untuk mendapatkan penyetelan yang tepat perlu dibuat

algoritma dengan beberapa hal perlu diasumsikan. Jika karakteristik

mekanikal diinginkan tanpa mengorbankan ekologi, harus dirumuskan

dengan ketat.

Mandloi (2010) , melakukan penelitian tentang pengaruh penggunaan

LPG pada kendaraan terhadap prosses pembakaran. Hasil penelitian ini

adalah aplikasi LPG pada mesin bensin mempercepat proses pembakaran,

tetapi durasi pembakarannya melambat. Sebagai konskuensinya, tekanan

dan temperatur pembakaran menjadi tinggi. Ini bisa berakibat kerusakan

pada elemen mesin. LPG menurunkan efisiensi volumetrik, sehingga untuk

mendapatkan daya yang tinggi diperlukan penambahan konsumsi bahan

bakar spesifik. LPG menurunkan emisi CO dan NOx. Dalam kesimpulan

akhir diperoleh bahwa pemanfaatan LPG memberikan efek negatif terhadap

performa mesin, tetapi memberikan efek positif terhadap emisi gas buang.

12

BAB 3. TUJUAN DAN MANFAAT

3.1. Tujuan

Tujuan yang ingin dicapai dari penelitian ini adalah :

1. Mengembangkan model mixer ( komponen untuk mencampur LPG dan

udara pada mobil LPG) yang dinamis, dengan ukuran venturi yang dapat

berubah secara otomatis menyesuaiakan kondisi kerja mesin berdasarkan

tingkat kevakuman mesin, beban, dan putaran mesin.

2. Mengidentifikasi ukuran-ukuran komponen mixer yang menghasilkan

performa mesin terbaik.

3.2. Manfaat

Manfaat yang diperoleh jika tujuan penelitian tercapai adalah :

1. Dihasilkan produk siap pakai yaitu model mixer dinamis untuk kendaraan

bahan bakar LPG sekaligus untuk substitusi mixer model fixed yang

masih impor.

2. Pendayagunaan hasil penelitian untuk mempercepat program konversi

BBM ke LPG untuk angkutan umum, sehingga biaya transportasi lebih

murah dan lebih ramah lingkungan.

3. Meningkatkan jumlah Sumber Daya Manusia (SDM) ahli bahan bakar

LPG.

Dengan demikian akan terjadi pendayagunaan hasil penelitian menjadi

produk siap pakai.

13

BAB 4. METODE

Diagram alir (Flow chart) berikut menyajikan langkah-langkah yang

dilakukan dalam penelitian.

SELESAI

MULAI

Desain dengan Auto Cad

Pembuatan prototype dengan material percobaan

Service data: • Ø throttle body, m • Kevakuman mesin, Pa • Tekanan LPG, Pa • Kecepatan udara, m/s

Memilih material yang sesuai

Membuat Prototipe (Machining)

Simulasi OK ?

Penyesuaian dimensi

Desain eksperimen

Prototipe OK ?

Penyetelan

Analisis dan pembahasan

Model Mixer dinamis siap pakai

Ya

Ya

Tidak

Tidak

Tahap 1

Tahap 2

Tahap 3

Uji prototipe pada dynamometer dan

kondisi riil

Gambar 4-1 Flow Chart Penelitian

14

Berikut merupakan uraian kegiatan penelitian pada tahap pertama.

Uraian kegiatan pada tahap kedua dan tahap ketiga akan diuraikan pada

laporan perkembangan selanjutnya.

4.1. Kegiatan Penelitian Tahap 1

4.1.1. Observasi

Kegiatan observasi pada penelitian ini meliputi studi lapangan dan

studi pustaka. Studi lapangan dilakukan langsung terhadap objek penelitian

yang meliputi observasi data tentang dimensi throttle body, kevakuman

manifold, dan lainnya, sedangkan studi pustaka dilakukan dengan

penelusuran hasil hasil penelitian sebelumnya yang relevan dengan topik

penelitian ini.

4.1.2. Mempersiapkan Kendaraan Uji, Peralatan, dan Bahan

Persiapan yang dilakukan meliputi :

1. Melakukan standarisasi spesifikasi mesin melalui overhaul dan

penggantian komponen.

2. Pemasangan converter kits dan komponen pendukungnya.

3. Menyiapkan peralatan untuk pengambilan data.

4.1.3. Alat dan bahan

Alat dan bahan yang digunakan tersaji dalam tabel 4.1. berikut :

Tabel 4-1 Alat dan bahan kegiatan penelitian tahap 1

No Alat dan bahan Jumlah Spesifikasi /merk

1 Kendaraan uji 2 unit Toyota 4A-FE

2 Vaporizer 3 unit 2 Stage/ Tesla

3 Hand tools 1 set

4 Engine scanner 1 set Car Doctor

5 LPG refill 4 unit Kemasan 12 kg

6 Gas Analizer 1 Unit QRO tech

7 Leak detector

15

4.1.4. Lay out Instalasi


Penelitian tahap 2 meliputi kegiatan desain, pembuatan prototipe

mixer dan dilanjutkan dengan pengujian prototipe mixer pada unit chassis

dynamometer. Urian kegiatan penelitian pada tahap kedua adalah sebagai

beikut.

4.2.1. Desain dan pembuatan prototipe

Proses desain dikerjakan dengan perangkat Auto-CAD, sedangkan

proses pembuatan prototipe dikerjakan secara machining dengan beberapa

mesin untuk proses produksi, diantaranya mesin bubut, mesin milling, mesin

drilling, dan peralatan tangan yang terkait.

4.2.2. Pengujian mixer

Parameter yang diuji terkait dengan kinerja mixer yang dibuat adalah

output torsi dan daya mesin. Pengujian torsi dan daya dilakukan pada unit

chassis dynamometer HOFFMAN Dynatest pro 260 kW. Pengujian

dilakukan dengan variasi jarak bebas pegas diafragma. Lay out

pengujiannya disajikan dalam gambar 4.3 berikut.

Gambar 4-2 Instalasi LPG

16


Penelitian tahap 3 meliputi kegiatan pembahasan hasil pengujian,

penyempurnaan prototype, dan penyelesaian dokumen intellectual right

(publikasi dan patent).

Roller dynamometer

Monitor dynamometer

Gambar 4-3 Skema pengujian pada chassis dynamometer

17

BAB 5. RENCANA CAPAIAN, HASIL DAN PEMBAHASAN

5.1. Rencana Capaian

Hasil capaian pada serangkaian kegiatan penelitian ini disajikan dalam

tabel berikut.

Tabel 5-1 Rencana capaian penelitian

No Target capaian Keterangan

Kendaraan (mobil) yang akan

dipakai dalam keadaan

standar.

Dilakukan overhaull mesin dan

penggantian beberapa komponen.

Instalasi converter kits pada

kendaraan, modifikasi

beberapa komponen, dan

mengintegrasikan komponen

kelistrikan ke sistem control

ECU mobil

Proses instalasi berhasil dilakukan,

sistem kelistrikan pada vaporizer

berhasil diintegrasikan ke sistem

control ECU mobil. Pada saat mobil

beroperasi dengan LPG, injector

bensin diputus secara otomatis.

Gambar teknik/ disain mixer

yang dikembangkan (desain 1)

Gambar teknik/ disain mixer sudah

jadi.

Pembuatan prototype dengan

material percobaan (material

lunak)

Prototype dengan material

percobaan (lunak) sedang dalam

penyempurnaan dimensional.

Finalisasi desain mixer

(evaluasi desain 1)

Mixer didesain dengan Auto-CAD,

beberapa pertimbangan teknis

diakomodasi dalam proses desain

Pembuatan prototipe mixer Prototipe mixer dibuat melalui

proses machining

Uji torsi dan daya pada

chassis dynamometer

Uji torsi dan daya dilakukan pada

unit chassis dynamometer dengan

variasi tingkat jarak bebas pegas

yang dapat diatur.

Penyempurnaan prototipe Penyempurnaan dilakukan pada

geometri mixer untuk memudahkan

assembly

Penyelesaian dokumen

publikasi dan paten

Publikasi 2 kali dalam prosiding,

buku dalam penyelesaian, dan

paten dalam proses pengajuan

melalui Sentra HKI Universitas

Muhammadiyah Magelang

Tah

ap 1

T

ah

ap 2

T

ah

ap 3

18

5.2. Hasil dan Pembahasan

5.2.1. Finalisasi desain mixer

Pada penelitian ini terjadi perubahan desain mixer dari desain 1

(penelitian tahap 1) menjadi desain 2 (penelitian tahan 2), khususnya pada

bagian kerucut (venturi variabel). Semula pemegang kerucut pada bagian

bawah mixer dirubah kebagian atas mixer dengan pertimbangan efisiensi

material dan kemudahan dalam proses penyetelan. Berikut disajikan

perubahan desainnya.

Gambar 5-2 Desain Mixer yang dikembangkan (desain 2, assembly)

Gambar 5-1 Desain Mixer yang dikembangkan (desain 1)

19

Gambar 5-3 Desain Mixer yang dikembangkan (desain 2, parts)

Gambar 5.6 diatas merupakan tampilan dari mixer variable yang

dibuat. Komponen utamanya terdiri atas :

1. Bagian rumah mixer (16) yang berbentuk silindris dan pada bagian

tersebut dipasang sebuah nepel inlet untuk gas (15);

2. Bagian kerucut pengatur kevakuman (13) yang mencakup bodi kerucut,

pegas, poros sliding, dan pemegang kerucut;

3. Bagian rumah venturi (12) yang berbentuk silindris dan pada bagian

tersebut terdapat lubang-lubang outlet gas.

4. Bagian pengunci (11) yang berfungsi untuk menahan posisi venturi dan

kerucut pengatur kevakuman.

20

Ringkasan teknis yang merupakan keunggulan mixer yang

dikembangkan ini antara lain :

1. Luasan venturi berubah secara otomatis tergantung pada kevakuman

dan perilaku mesin. Saat stasioner luasan venturi kecil dan saat

putaran tinggi luasannya akan bertambah besar sesuai dengan tingkat

kevakumannya.

2. Pada saat beban berat (bukaan throttle valve besar dan putaran mesin

rendah), kevakuman pada mixer menurun, kerucut akan memperkecil

lubang venturi sehingga keakumannya akan naik. Kenaikan

kevakuman ini akan menambah aliran LPG sehingga torsi mesin akan

meningkat.

3. Tingkat kekencangan pegas kerucut dapat diatur dengan memutar

baut penyetel dari sisi luar mixer tanpa harus melepas mixer dari

mesin.

5.2.2. Pembuatan prototype

Pembuatan prototype mixer dilakukan dengan kombinasi material

lunak (plastik) untuk komponen venturi variable dan alumunium alloy untuk

komponen housing. Material plastik dan alumunium ini dipilih dengan alasan

mudah dalam proses machining. Berikut disajikan beberapa ilustrasi

pembuatan prototype pada mesin bubut.

Gambar 5-4 Proses pembuatan prototype

21

5.2.3. Pengujian prototype

a. Proses pemasangan pada dynamometer

b. Hasil uji

Hasil pengujian prototype pada dynamometer disajikan dalam gambar

berikut.

Gambar 5-7 Hasil Uji pada chassis dynamometer

Gambar 5-5 Pemasangan mixer variabel pada mesin

Gambar 5-6 Pengujian performa pada chassis dynamometer

22

5.2.4. Pembahasan hasil uji

Dari gambarv 5-7 dapat diperoleh informasi gejala yaitu bahwa daya

mesin dengan mixer dinamis berada diatas daya dengan mixer standar

sampai kecepatan mobil mencapai ±125 km/ jam @ 4250 rpm kemudian

menghasilkan daya yang sama dengan mixer standar hingga kecepatan 150

km/jam @ 5000 rpm. Namun demikian, setelah melewati titik tersebut, daya

mesin dengan mixer dinamis turun drastis dibawah daya mesin dengan mixer

standar.

Dari analisa geometri mixer, diperoleh data sebagai berikut:

1. Pada rpm rendah sampai ±4000 rpm, luasan efektif venturi mixer dinamis

dapat menyesuaikan dengan tingkat kevakuman mesin dan mampu

mengontrol debil LPG dari vaporizer dengan baik. Kondisi ini

menghasilkan daya yang lebih baik dari mixer standar yang rata rata

menghasilkan campuran kurus pada saat akselerasi.

2. Bahwa luasan efektif venturi pada mixer dinamis pada kondisi bukaan

maksimal memang lebih kecil dari mixer standar. Akibatnya pada putaran

tinggi (diatas 4000 rpm), suplai udara yang masuk ke mesin menjasi

lebih sedikit sehingga efisiensi volumetriknya turun.

23

BAB 6. KESIMPULAN DAN SARAN

6.1. Kesimpulan

Pengujian prototype mixer dinamis/ variabel pada chassis

dynamometer menunjukkan bahwa mixer yang dikembangkan menghasilkan

torsi dan daya yang lebih tinggi dari pada mixer standar pada kecepatan

mobil dibawah 150 km/jam @5000 rpm, namun demikian pada kecepatan

diatas 150 km/jam torsi dan daya yang dihasilkan lebih rendah dari mixer

standar. Tujuan dari pengembangan mixer dinamis/ variabel ini adalah untuk

kendaraan umum berbahan bakar gas di pedesaan dan pegunungan yang

beroperasi dengan kecepatan rendah, sehingga penurunan daya dan torsi

pada kecepatan diatas 150 km/jam ini tidak menjadi kendala.

6.2. Saran

Saran yang ingin disampaikan untuk penelitian lanjutan adalah

perlunya simulasi pada berbagai tipe kendaraan untuk mendapatkan data

yang beragam.

24

DAFTAR PUSTAKA

Bosch. (2010). LPG Spark Plugs. Road Claiton Vic: Robert Bosch (Australia)

Pty Ltd.

Brevitt, B. (2002). Alternative Vehicle Fuels. Science And Environment Section. London: House Of Commons Lybrary.

Ceviz, M., & Yuksel, F. (2005). Cyclic variations on LPG and gasoline-fuelled. Renewable Energy , 1950-1960.

Dziubinski, M., Walusiak, S., & Pietrzyk, W. (2007). Testing Of An Ignition System In A Car Run On Various Fuels. TEKA Kom. Mot. Energ. Roln , 97-104.

IEA ETSAP. (2010, April). Automotive LPG and Natural Gas Engines. Technology Brief T03 .

Kazimierz Lejda, A. J., Lejda, K., & Jaworski, A. (2007). Start of Liquid LPG Sequential Injection Influence on The Selected Useful and Ecological Parameters of SI Engine. TEKA Kom. Mot. Energ. Roln , 145-146.

Mandloi, R. (2010). Long Term Continuous Use Of Auto- LPG Causes Thermal Pitting In Automotive S. I. Engine Parts. International Journal of Engineering Science and Technology , 2(10), 5907-5911.

Mijo Autogas. (t.thn.). Dipetik Agustus 21, 2013, dari http://www.mijoautogas.co.in/: http://www.mijoautogas.co.in/lpg-components.htm

Mockus, S. (2006). Analysis Of Exhaust Gas Composition Of Internal Combustion Engines Using Liquefied Petroleum Gas. Journal Of Environmental Engineering And Landscape ManagemenT , 16-22.

Osch, H. V. (2013). Technique-LPG-Instalatie. Dipetik April 10, 2013, dari http://www.chaosboyz.nl/rubriek/techniek/techlpg.htm

R.R. Saraf, S. a. (2009). Comparative Emission Analysis of. International Journal of Civil and Environmental Engineering , 199-202.

Rohmat, T. A., & Saptoadi, H. (2003). Pengaruh Waktu Penyalaan Terhadap Kinerja Spark-Ignition Engine Berbahan Bakar LPG. Media Teknik , 68-73.

Saraf, R., Thipse, S., & Saxena, P. (2009). Comparative Emission Analysis of Gasoline/LPG Automotive Bifuel Engine. International Journal of Civil and Environmental Engineering , 199-202.

Tesla Technologies. (t.thn.). Dipetik Agustus 20, 2013, dari http://www.tesla-tech.com/lpg_kit.htm: http://www.tesla-tech.com/lpg_kit.htm

WLPGA. (2012). Autogas Incentive Policies.

25

Lampiran 1. Foto kegiatan penelitian

Foto1. Pembuatan prototipe Foto2. Pembuatan prototipe

Foto 3. Pemasangan mixer pada mesin Foto 4. Pemasangan vaporizer pada mesin

Foto 5. Pemasangan mobil pada dinamometer Foto 6. Pemasangan mobil pada dinamometer

Foto 7. Setting ignition timing Foto 8. Pengambilan data pada dinamometer

26

Lampiran 2. Desain mixer yang dikembangkan

27

Lampiran 3. Desain mixer yang dikembangkan (lanjutan)

28

Lampiran 4. Desain mixer yang dikembangkan (lanjutan)

29

Lampiran 5. Log book penelitian

laporan akhir insentif sistem inovasi nasional (sinas)...

Documents