analisis kinerja sel elektrolisis berbasis...
TRANSCRIPT
UNIVERSITAS INDONESIA
ANALISIS KINERJA SEL ELEKTROLISIS BERBASIS KONTROL TEGANGAN PULSE WIDTH MODULATION
UNTUK PENINGKATAN KINERJA MOTOR BAKAR
SKRIPSI
BAGUS REKA SUSILO
0806329880
FAKULTAS TEKNIK
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
DEPOK
JULI 2012
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
UNIVERSITAS INDONESIA
ANALISIS KINERJA SEL ELEKTROLISIS BERBASIS KONTROL TEGANGAN PULSE WIDTH MODULATION
UNTUK PENINGKATAN KINERJA MOTOR BAKAR
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
BAGUS REKA SUSILO
0806329880
FAKULTAS TEKNIK
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
DEPOK
JULI 2012
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
ii
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS
Skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri,
Dan semua sumber baik yang dikutip maupun dirujuk
Telah saya nyatakan dengan benar.
Nama : Bagus Reka Susilo
NPM : 0806329880
Tanda Tangan :
Tanggal : 11 Juli 2012
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
iii
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi ini diajukan oleh :
Nama : Bagus Reka Susilo
NPM : 0806329880
Program Studi : Teknik Mesin
Judul Skripsi : Analisis Kinerja Sel Elektrolisis Berbasis Kontrol Tegangan Pulse Width Modulation untuk Peningkatan Kinerja Motor Bakar
Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterima sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia.
DEWAN PENGUJI
Pembimbing : Dr. Ir. R. Danardono Agus Sumarsono, DEA. PE
Penguji : Yudan Whulanza, S.T., M.Sc., Ph.D
Penguji : Prof. Dr. Ir. Bambang Sugiarto, M. Eng.
Penguji : Jos Istiyanto, S.T.,M.T., Ph.D
Penguji : Dr.Ir. Gatot Prayogo, M.Eng.
Ditetapkan di : Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Depok
Tanggal : 11 Juli 2012
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
iv
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Allah SWT yang telah memberikan rahmat, hidayah
serta inayah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini tepat waktu.
Penulisan skripsi ini dilakukan dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk
mencapai gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Mesin pada Fakultas
Teknik Universitas Indonesia.
Skripsi ini berisi tentang pemanfaatan hidrogen dalam lingkup peralihan
dari energi yang bergantung pada bahan bakar minyak ke arah energi alternatif.
Energi yang bersumber dari hidrogen itu rendah emisi, sangat cocok dengan bumi
kita yang sedang hangat-hangatnya mencuat isu global warming. Jika memang
infrastruktur sudah memadai, diharapkan gas hidrogen dapat digunakan untuk
menghasilkan listrik (hydrogen fuel cell) dan menggerakkan alat transportasi
dengan energi listrik di masa depan.
Banyak pihak yang telah mendukung penulis selama empat tahun masa
perkuliahan hingga tugas akhir ini dapat terselesaikan. Penulis mengucapkan
terima kasih sebesar-besarnya kepada :
1. Marbono dan Sutirah selaku orang tua yang selalu memberikan dukungan
yang diberikan tanpa hentinya sehingga skripsi ini dapat terselesaikan.
2. Dr. Ir. R. Danardono Agus Sumarsono DEA. PE selaku dosen
pembimbing yang telah memberikan arahan, kepercayaan kepada penulis
dalam penyusunan skripsi ini.
3. Dr. Ir. Harinaldi M.Eng selaku penasehat akademis yang telah memberi
masukan tentang persoalan akademis kepada penulis
4. Dr. Ir. Gandjar Kiswanto M.Eng yang telah mencontohkan keteladanan
dan memberikan arahan selama penulis menjalani mata kuliah tugas
merancang
5. Seluruh dosen DTM selaku dosen program studi Teknik Mesin yang telah
menginspirasi, mendidik penulis menjadi lulusan teknik yang insyaallah
dapat survive di masyarakat
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
v
6. Anak mesin 2008, senior, dan junior yang telah mengubah penulis dari
anak SMA yang manja menjadi anak mesin yang punya visi dan peduli
7. Termonator Geng yang di masa jayanya terus berada di samping penulis,
menemani, refreshing bersama dan mengisi kehidupan empat tahun
perkuliahan
8. Trio Kontrakan: Ono, Fikri, Ezat yang sudah mengizinkan penulis menjadi
benalu di kontrakan dengan menumpang istirahat, mengacak-acak dan
sering meminjam kunci
9. Keluarga besar Shell Eco Marathon UI yang telah memberikan keluarga
baru selama dua tahun ke belakang, keluarga yang diabadikan dengan
mobil-mobil hasil perjuangan bersama. Semoga SEM UI terus berprestasi
dan mobil-mobil tersebut tetap terjaga.
10. Anak Laboratorium Lantai 2 yang telah membantu penulis mencari
troubleshooting dunia elektronika yang masih awam bagi penulis
11. Laboran dan staff DTM: Mas Syarif, Mas Yasin, Mas Supri, Mas Udi,
Mas Suryadi, Pak Maruih, Mbak Ida, Mbak Tina dan yang lainnya atas
keramahannya, dukungannya dan memberikan kemudahan ketika penulis
beraksi di DTM selama masa perkuliahan
Akhir kata, semoga Allah SWT berkenan membalas segala kebaikan
semua pihak yang telah disebutkan di atas. Semoga skripsi ini membawa manfaat
untuk perkembangan ilmu pengetahuan.
Depok, Juli 2012
Bagus Reka Susilo
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
vi
HALAMAN PERNYATAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai sivitas akademik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di
bawah ini:
Nama : Bagus Reka Susilo
NPM : 0806329880
Program Studi : Teknik Mesin
Departemen : Teknik Mesin
Fakultas : Teknik
Jenis Karya : Skripsi
demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada
Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusive Royalty-
Free Rights) atas karya ilmiah saya yang berjudul:
“Analisis Kinerja Sel Elektrolisis Berbasis Kontrol Tegangan Pulse Width
Modulation untuk Peningkatan Kinerja Motor Bakar”
Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan hak bebas royalty
noneksklusif ini, Universitas Indonesia berhak menyimpan, mengalih
media/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database), merawat
dan mempublikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan nama saya
sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.
Dibuat di : Depok
Pada tanggal : 11 Juli 2012
Yang menyatakan,
Bagus Reka Susilo
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
vii
ABSTRAK
Nama : Bagus Reka Susilo Program Studi : Teknik Mesin Judul Skripsi : Analisis Kinerja Sel Elektrolisis Berbasis Kontrol Tegangan Pulse Width Modulation untuk Peningkatan Kinerja Motor Bakar Penelitian ini bertujuan untuk mengoptimalisasi kinerja sel elektrolisis. Elektrolisis adalah proses pemecahan senyawa air menjadi gas hidrogen dan gas oksigen dan gas hasil elektrolisis dimanfaatkan untuk meningkatkan kinerja motor bakar. Namun energi listrik yang dibutuhkan untuk elektrolisis terkadang terlalu besar dan sulit dikendalikan. Untuk mengoptimalisasi kinerja sel elektrolisis, dirancang kontroler reaktor yang adjustable berbasis pulse width modulation dengan mempertimbangkan nilai tegangan aki, suhu reaktor, indikator gigi persneling dan kecepatan putaran mesin. Kinerja sel elektrolisis dapat dilihat dari debit gas yang dihasilkan, konsumsi energi listrik dan suhu reaktor elektrolisa. Parameter kinerja motor bakar dapat diamati dari torsi, daya, emisi dan konsumsi bahan bakar. Dengan menerapkan modul kontrol, dapat meningkatkan maksimum BHP hingga 0,05HP, meningkatkan maksimum torsi sebesar 0,1 ft-lbs dan penghematan bensin sebesar 18,51% dibandingkan dengan motor standar. Kata kunci : pulse width modulation, elektrolisis, kontroler, adjustable
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
viii
ABSTRACT
Name : Bagus Reka Susilo Study Program : Mechanical Engineering Title : Performance Analysis of Electrolysis Cell based on Voltage Control Pulse Width Modulation to Improve Internal Combustion Engine Performance
This research is about to optimalize the performance of electrolysis cell. Electrolysis is process that can break the chemical bonding of water into hydrogen and oxygen gas. Both gasses is used to improve internal combustion engine performance. But the electric energy needed for electrolysis is excessive and hard to be controlled. To optimalize electrolysis cell performance, an adjustable controller is designed, based on pulse width modulation with consideration of battery voltage, electrolizer temperature, gear position and engine rotation spees. Electrolysis cell performance can be observed from gas flow rate, electric energy consumption and electrolyzer temperature. Engine performance parameter can be observed from torque, power, emission and fuel consumption. By using this control module, maximum BHP can increase up to 0,05HP, maximum torque up to 0,1 ft-lbs and decrease fuel consumption up to 18,51% compared with standard motorcycle. Keyword : pulse width modulation, electrolysis, controller, adjustable
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
ix
DAFTAR ISI
Halaman Pernyataan Orisinalitas ............................................................................. ii Halaman Pengesahan .............................................................................................. iii Kata Pengantar ........................................................................................................ iv Halaman Pernyataan Persetujuan Publikasi ............................................................ vi Abstrak ................................................................................................................... vii Abstract ................................................................................................................. viii Daftar Isi ................................................................................................................. ix Daftar Gambar ........................................................................................................ xi Daftar Tabel .......................................................................................................... xiii BAB I Pendahuluan ................................................................................................. 1 1.1 Latar belakang .................................................................................................... 1 1.2 Permasalahan ..................................................................................................... 3 1.3 Tujuan ................................................................................................................ 3 1.4 Batasan masalah ................................................................................................. 4 1.5 Metodologi penelitian ........................................................................................ 4 BAB II Landasan Teori ............................................................................................ 6 2.1 Mesin otto .......................................................................................................... 6 2.2 Siklus otto empat langkah .................................................................................. 7 2.3 Reaksi pembakaran ............................................................................................ 9 2.4 Sistem bahan bakar sepeda motor .................................................................... 11 2.5 Emisi gas buang ............................................................................................... 12 2.6 Elektrolisis ....................................................................................................... 15 2.7 Gas hidrogen .................................................................................................... 17 2.8 Microcontroller ................................................................................................ 20 2.9 Pulse Width Modulation .................................................................................. 23 BAB III Metode Penelitian .................................................................................... 28 3.1 Rancangan penelitian ....................................................................................... 28 3.2 Peralatan uji ..................................................................................................... 28 3.3 Prosedur penggunaan alat uji ........................................................................... 34 3.4 Prosedur pengambilan data .............................................................................. 36 BAB IV Desain Sistem Kontrol ............................................................................. 38 4.1 Deskripsi kebutuhan sistem kontrol ................................................................. 38 4.2 Desain sel elektrolisis ...................................................................................... 39 4.3 Perancangan sistem kontrol ............................................................................. 43 4.4 Mikrokontroler ATMEGA16 ........................................................................... 45 4.5 Komponen masukan sistem kontrol ................................................................. 50 4.6 Komponen keluaran sistem kontrol ................................................................. 54 BAB V Hasil Pengolahan Data dan Analisis ......................................................... 58 5.1 Data debit gas hasil elektrolisis ....................................................................... 59 5.2 Data daya dan torsi .......................................................................................... 59 5.3 Data emisi gas buang ....................................................................................... 61 5.4 Data tes jalan .................................................................................................... 62 5.5 Analisa debit gas elektrolisis ........................................................................... 63 5.6 Analisa daya dan torsi ...................................................................................... 64
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
x
5.7 Analisa emisi gas buang .................................................................................. 65 5.8 Analisa konsumsi bahan bakar ........................................................................ 70 5.9 Analisa konsumsi energi listrik ........................................................................ 71 5.10 Analisa suhu sel elektrolisis setelah tes jalan ................................................ 72 BAB VI Kesimpulan dan Saran ............................................................................. 73 6.1 Kesimpulan ...................................................................................................... 73 6.2 Saran ................................................................................................................ 73 Daftar Referensi ..................................................................................................... 74 Lampiran ................................................................................................................ 75
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
xi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Grafik produksi minyak bumi dunia .....................................................................1
Gambar 1.2 Grafik peningkatan produksi karbon dioksida di dunia ........................................2
Gambar 2.1 Proses kerja motor empat langkah .....................................................................7
Gambar 2.2 siklus otto teoritis ..................................................................................................7
Gambar 2.3 siklus otto aktual ..................................................................................................7
Gambar 2.4 proses pembangkitan sinyal pada ATMEGA .....................................................24
Gambar 2.5 Perbedaan clear up dan clear down .................................................................25
Gambar 2.6 Tegangan rata-rata Sinyal PWM ....................................................................26
Gambar 2.7 Grafik load voltage dan average voltage ....................................................................26
Gambar 2.8 Sinyal PWM dan Persamaan Vout PWM .....................................................27
Gambar 3.1 Motor Supra X125 Tahun 2005 ..................................................................................29
Gambar 3.2 alat uji Gas analyzer .................................................................................................30
Gambar 3.3 flowmeter Dwyer RMA-11 ..................................................................................31
Gambar 3.4 Multitester .......................................................................31
Gambar 3.5 Wattmeter Turnigy 130A .......................................................................32
Gambar 3.6 Alat dynojet 250i .......................................................................33
Gambar 4.1 Perbedaan wet cell dan dry cell ..................................................................................39
Gambar 4.2 sel elektrolisis tipe wet cell ..................................................................................40
Gambar 4.3 intake manifold .................................................................................................40
Gambar 4.4 desain sel elektrolisis .................................................................................................41
Gambar 4.5 susunan plat sel elektrolisis ..................................................................................41
Gambar 4.6 penempatan sel elektrolisis ..................................................................................42
Gambar 4.7 penempatan tabung cadangan air ....................................................................42
Gambar 4.8 skema kerja sel elektrolisis ..................................................................................43
Gambar 4.9 diagram alir sistem kontrol elektrolisis ....................................................................44
Gambar 4.10 grafik PWM vs rpm mesin ..................................................................................45
Gambar 4.11 Konfigurasi pin ATMega16 ..................................................................................47
Gambar 4.12 skema rangkaian sistem microcontroller ATMEGA16 yang digunakan ..........49
Gambar 4.13 rangkaian voltage divider menggunakan potensiometer .......................................50
Gambar 4.14 skema rangkaian pengkondisian sinyal ....................................................................51
Gambar 4.15 skema rangkaian sensor suhu LM35 ....................................................................52
Gambar 4.16 sensor LM35 .................................................................................................53
Gambar 4.17 Rangkaian Sensor LM35 ..................................................................................54
Gambar 4.18 konfigurasi pin LCD .................................................................................................55
Gambar 4.19 skema rangkaian driver dengan mikrokontroller .....................................................57
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
xii
Gambar 5.1 Daya dan Torsi Motor Standar .................................................................................59
Gambar 5.2 Daya dan Torsi Motor dengan Hidrogen tanpa Sistem Kontrol .........................60
Gambar 5.3 Daya dan Torsi Motor dengan Hidrogen dengan Sistem Kontrol .........................60
Gambar 5.4 Grafik hubungan antara flow rate gas elektrolisis dengan kuat arus .........................63
Gambar 5.5 Grafik hubungan antara flow rate gas elektrolisis dengan tegangan .........................63
Gambar 5.6 Grafik emisi HC .................................................................................................65
Gambar 5.7 Grafik kadar CO .................................................................................................66
Grafik 5.8 Grafik kadar CO2............................................................................................................68
Gambar 5.9 Grafik kadar O2 .................................................................................................69
Gambar 5.10 Grafik penghematan konsumsi bensin ....................................................................70
Gambar 5.11 Grafik penghematan konsumsi energi listrik .....................................................71
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Sifat hidrogen ...............................................................................................................19
Tabel 3.1 Spesifikasi dynojet 250i .......................................................................33
Tabel 4.1 konfigurasi pin LCD ................................................................................................55
Tabel 5.1 Tabel Debit Gas Hasil Elektrolisis ..................................................................................59
Tabel 5.2 data hasil emisi gas buang pada kondisi motor standar .......................................61
Tabel 5.3 data hasil emisi pada kondisi motor dengan hidrogen tanpa sistem kontrol ..........61
Tabel 5.4 Data hasil emisi pada kondisi motor dengan hidrogen dengan kontrol PWM ..........62
Tabel 5.5 Data Hasil Tes Jalan pada Berbagai Kondisi Motor .....................................................62
Tabel 5.6 Data Hasil Dynotest pada Berbagai Kondisi Motor .....................................................64
Tabel 5.7 penurunan kadar HC ................................................................................................65
Tabel 5.8 penurunan kadar CO .................................................................................................67
Tabel 5.9 selisih kadar CO2 .................................................................................................68
Tabel 5.10 penurunan kadar O2 .................................................................................................69
Tabel 5.11 Penghematan konsumsi bensin ..................................................................................70
Tabel 5.12 penghematan konsumsi energi listrik ....................................................................71
Tabel 5.13 Suhu sel elektrolisis setelah tes jalan ....................................................................72
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
1 Universitas Indonesia
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Energi memegang peranan penting dalam kehidupan manusia. Pada
berbagai lingkup kehidupan seperti transportasi, komunikasi dan lainnya, energi
menjadi pemegang peranan utama. Selama ini manusia bergantung pada energi
yang berasal dari minyak bumi untuk menjalankan sistem transportasi dan
industri. Namun minyak bumi yang termasuk energi tak terbaharukan, lama
kelamaan mengalami kelangkaan. Cadangan minyak bumi semakin menipis,
dampaknya semakin lama harga minyak bumi dunia semakin melonjak naik.
Gambar 1.1 Grafik produksi minyak bumi dunia
(Sumber: The expected dates of resource-limited maxima in the global production of oil and gas.
R. W. Bentley. 18 Desember 2009. Springerlink science)
Kendala dari penggunaan minyak bumi bukan hanya pada kelangkaan
yang terjadi, tetapi juga gas sisa hasil reaksi pembakaran (emisi) minyak bumi
yang memiliki kandungan berbahaya bagi lingkungan. Penumpukan CO2 dalam
lapisan atmosfer menyebabkan terjadinya peningkatan suhu bumi sehingga
terjadi pemanasan global. Produksi gas sisa pembakaran lainnya seperti CO, HC
dan Nox menimbulkan polusi yang dapat mencemari lingkungan.
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
2
Universitas Indonesia
Gambar 1.2 Grafik peningkatan produksi karbon dioksida di dunia
(Sumber: Carbon Dioxide Information Analyst Center. http://cdiac.ornl.gov/trends/emis/glo.html )
Menanggapi penurunan cadangan minyak bumi dan kerusakan lingkungan
dari gas emisi, penelitian mengenai energi alternatif mulai dikembangkan. Dari
panas bumi, biofuel, hingga kendaraan listrik diteliti dengan harapan energi
alternatif ini dapat menghilangkan ketergantungan terhadap minyak bumi.
Sebagai peralihan dari penggunaan minyak bumi ke energi alternatif, penggunaan
hidrogen hasil elektrolisa air pada motor pembakaran dalam digunakan pada
kehidupan sehari-hari. Gas hidrogen dapat dimasukkan ke ruang bakar pada
intake manifold ataupun pada filter udara. Dengan adanya bahan bakar hidrogen
di masa transisi ini diharapkan dapat meningkatkan efisiensi mesin sehingga
cadangan minyak bumi dapat lebih lama habisnya.
Penggunaan gas hasil elektrolisa atau biasa disebut HHO sudah banyak
diterapkan pada mesin kendaraan baik roda dua maupun roda tiga. Namun
sebagian besar pengguna dan produsen menaruh fokusnya terhadap efeknya pada
kinerja motor bakar, bukan pada energi listrik dan performa dari sel elektrolisa.
Pada umumnya, untuk sepeda motor listrik elektrolisa diperoleh dari arus untuk
pengisian aki dari alternator ataupun dari kabel lampu depan. Tegangan dan arus
yang mengalir pada kedua kabel tersebut meningkat seiring dengan meningkatnya
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
3
Universitas Indonesia
rpm mesin, sesuai dengan asumsi bahwa kebutuhan gas hidrogen untuk
pembakaran meningkat dengan meningkatnya rpm mesin. Hal ini mengakibatkan
listrik untuk menghasilkan gas elektrolisa sulit untuk divariasikan. Dengan adanya
keterbatasan tersebut, dirancanglah kontroller berbasis pulse width modulation
dengan diharapkan dapat menjadikan sistem produksi gas elektrolisa dapat
terkontrol secara elektronik sehingga kinerjanya dapat menjadi lebih optimal.
1.2 Permasalahan
Sistem tambahan penerapan gas hidrogen pada sepeda motor masih
sederhana (mengambil listrik dari pengisian aki/lampu depan), belum dilengkapi
dengan sistem kontrol untuk mengatur kinerja sel elektrolisis. Dengan adanya
kontroler, diharapkan pengguna dapat mengendalikan kinerja sel elektrolisis dan
penggunaannya disesuaikan dengan kondisi kendaraan yang digunakan. Kontroler
berbasis pulse width modulation dengan tujuan untuk memvariasikan persentase
pulse listrik yang diberikan ke reaktor berdasarkan kecepatan putaran mesin dan
melihat pengaruhnya terhadap prestasi mesin.
1.3 Tujuan
Tujuan dari penulisan ini adalah:
• Menerapkan teknologi kontrol untuk mengatur produksi gas hidrogen yang
dimasukkan ke ruang bakar dan mengendalikan sistem pengaktifan sel
elektrolisis
• Membandingkan dan mengetahui perbedaan kinerja sel elektrolisis dan
kinerja motor bakar yang dihasilkan antara sebelum dan sesudah
mengaplikasikan kontroler ke sel elektrolisis
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
4
Universitas Indonesia
1.4 Batasan Masalah
Batasan masalah pada penelitian ini yaitu:
• Pembahasan dilakukan pada hal-hal yang berkaitan dengan perancangan
kontroler untuk sel elektrolisis dan pengaruhnya terhadap kinerja motor
bakar
• Parameter kinerja sel elektrolisis yang diamati adalah konsumsi energi
listrik, suhu pada plat elektrolisis, dan debit gas hasil sel elektrolisis
• Parameter kinerja motor bakar yang diamati saat penelitian hanyalah pada
konsumsi bahan bakar, daya keluaran dan torsi kendaraan, serta
kandungan emisi gas buang (HC, O2, CO, CO2).
• Penelitian ini mengkaji variasi energi listrik yang masuk ke reaktor dan
mengamati pengaruhnya terhadap laju elektrolisis.
1.5 Metodologi Penulisan
1. Studi Literatur
Studi literatur dilakukan sebagai landasan teori pengerjaan tugas akhir
ini , diantaranya adalah buku, artikel, skripsi, jurnal dan internet.
Literatur tersebut digunakan sebagai dasar pengambilan keputusan dan
metodologi perancangan dan pengujian alat.
2. Persiapan Alat Uji
Alat uji dipersiapkan untuk mendukung berlangsungnya proses
pengujian pengambilan data yang diperlukan.
3. Proses Pengambilan Data
Pengujian dilakukan untuk melihat unjuk kerja sistem yang telah
dibuat, dan melakukan modifikasi jika diperlukan.
4. Analisis dan Kesimpulan Hasil Pengujian
Setelah pengambilan data, maka dilakukan proses pengolahan data yang
ditampilkan lewat tabel maupun grafik sehingga didapat kesimpulan
dari proses pengujian yang terlihat dari unjuk kerja sistem dan dapat
memberikan saran dalam pengembangan desain selanjutnya.
5. Sistematika Penulisan
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
5
Universitas Indonesia
Penulisan tugas akhir ini mengikuti sistematika penulisan sebagai
berikut:
BAB I, PENDAHULUAN
Bab ini membahas tentang latar belakang, permasalahan yang
timbul, tujuan, batasan masalah, metodologi penulisan, dan
sistematika penulisan.
BAB II, LANDASAN TEORI
Bab ini membahas tentang konsep-konsep yang menjadi dasar
teori dalam penelitian ini, seperti dasar teori motor bakar, dasar
teori elektrolisis air, dan teori kontrol dengan mikrokontroller
BAB III, METODE PENELITIAN
Bab ini membahas skema alat pengujian, prosedur dan metode
dalam pengujian dan pengambilan data untuk melihat unjuk
kerja sistem yang telah dibuat.
BAB IV, DESAIN SISTEM KONTROL
Bab ini membahas tentang konsep rancangan modul kontrol
yang digunakan untuk elektrolisis serta komponen masukan dan
keluaran sistem.
BAB V , HASIL DAN ANALISIS
Bab ini membahas hasil pengujian yang dianalisis dari data yang
berupa tabel dan grafik.
BAB VI, KESIMPULAN
Bab ini membahas kesimpulan dari hasil pengujian dan
memberikan saran untuk pengembangan desain berikutnya.
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
6 Universitas Indonesia
BAB II LANDASAN TEORI
2.1 Mesin Otto
Mesin otto adalah tipe motor pembakaran dalam yang menggunakan
nyala busi sebagai pemicu terjadinya proses pembakaran pada suatu sistem
tertutup yang dapat mengkonversi energi kimia yang terkandung pada bahan
bakar menjadi energi mekanik pada putaran poros. Sebagian energi yang
terkandung pada bahan bakar akan diubah menjadi energi mekanik, dan sisanya
menjadi panas dan gas buang.
Motor otto beroperasi berdasarkan prinsip siklus otto. Proses
pembakaran pada siklus otto terjadi ketika campuran bahan bakar dan udara dalam
keadaan terkompresi dan dipicu dengan bunga api dari nyala busi untuk
memastikan terjadinya ledakan dan kenaikan tekanan ruang bakar, yang membuat
piston bergerak translasi, memutar poros crankshaft. Siklus langkah kerja yang
terjadi pada mesin jenis ini dinamakan siklus otto.
Berdasarkan langkah kerjanya, mesin Otto terbagi menjadi dua, mesin
otto dua langkah dan mesin otto empat langkah. Pada mesin otto dua langkah, satu
siklus otto terjadi pada satu putaran crankshaft, sedangkan pada mesin otto empat
langkah satu siklus terjadi pada dua putaran crankshaft.
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
7
Universitas Indonesia
2.2 Siklus Otto Empat Langkah
Gambar 2.1 Proses kerja motor empat langkah
(Sumber: web.mit.edu)
Gambar 2.2 siklus otto teoritis
(Sumber: web.mit.edu)
Gambar 2.3 siklus otto aktual
(Sumber: web.mit.edu)
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
8
Universitas Indonesia
Intake (Langkah hisap)
Piston bergerak kebawah. Intake valve terbuka dan exhaust valve
menutup. Campuran udara dan bahan bakar dihisap masuk melalui intake
valve. Pada langkah hisap, klep inlet membuka sebelum Titik Mati Atas
(TMA), setelah itu tetap terbuka sampai pison melewati Titik Mati Bawah
(TMB). Klep inlet harus tetap terbuka sampai melewati TMB alasannya
adalah untuk membiarkan inertia dari tingginya kecepatan bahan bakar dan
udara yang tadi dihisap ke dalam silinder untuk benar-benar memadatkan
campuran bahan bakar dan udara yang mana saat itu piston mulai naik
untuk memulai langkah kompresi.
Compression (Langkah Kompresi)
Piston ke atas menuju TMA. Intake valve an exhaust valve
menutup, sehingga tak ada udara yang keluar ataupun masuk ruang bakar.
Campuran udara dan bahan bakar terkompresi pada langkah ini. Setelah
Piston melewati TMB, maka klep Inlet menutup. saat itulah langkah
kompresi dimulai. jadi langkah kompresi dimulai bukan dari TMB,
melainkan setelah melewati TMB. gerakan piston menuju ke TMA
menekan campuran bahan bakar dan udara yang tadi dihisap ke dalam
silinder.
Power (Langkah Usaha)
Sebelum piston berada pada TMA, campuran udara dan bahan
bakar terkompresi maksimum. Sesaat sebelum itu, busi melakukan
pengapian shingga menimbulkan ledakan. Tekanan meningkat dan piston
terdorong ke arah Titik Mati Bawah. Daya mekanik yang mendorong
piston ini akan dikonversi oleh crankshaft menjadi putaran. Putaran inilah
yang dimanfaatkan untuk menggrakkan mesin. Intake valve dan exhaust
valve beraa pada posisi tertutup.
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
9
Universitas Indonesia
Exhaust (Langkah Buang)
Piston bergerak ke atas menuju TDC. Intake valve tetutup dan
exhaust valve membuka. Gerakan piston menyebabkan gas sisa
pembakaan terdorong keluar ruang bakar melalui exhaust valve. Klep
buang membuka lama sebelum piston mencapai TMB. membukanya klep
buang sebelum TMB tujuannya untuk membiarkan tekanan di dalam
silinder berkurang, sehingga pada saat setelah piston melewati TMB,
momentum dari gas pembuangan digunakan untuk membilas silinder
secara efisien. karena pada saat itu juga klep inlet membuka sebelum TMA
( periode ini disebut overlapping atau kedua klep membuka secara
bersamaan ) dan klep buang menutup setelah melewati TMB. pada saat itu
inertia dari gas sisa pembakaran benar-benar membantu pengisian silinder
dengan membuat sebagian kevakuman di dalam silinder dan jalur
pemasukan. karena pada saat itu klep masuk sudah terbuka dan memulai
langkah hisap.
2.3 Reaksi Pembakaran
Bahan bakar yang digunakan pada Motor Pembakaran Dalam – jenis Otto
biasanya sejenis Hidro Carbon (HC). Berikut ini adalah persamaan umum untuk
pembakaran hidrokarbon dengan udara.
(2.1)
Nilai 3,76 didapat dari perbandingan %vol N2 dengan %vol O2 pada udara
bebas yaitu 79% / 21% = 3,76 dengan menganggap gas lainnya seperti argon, CO2
dan lainya sangat kecil. Untuk pembakaran yang sesuai dengan stokiometri,
digunakan nilai γ=1. Untuk pembakaran yang lean, pada reaksi terdapat excess
air, maka nilai γ>1. Untuk pembakaran yang rich, perbandingan jumlah bahan
bakarnya meningkat dibanding udara, maka nilai γ<1. Untuk menghitung nilai air
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
10
Universitas Indonesia
fuel ratio (AFR) dari persamaan reaksi sesuai stokiometri dapat dihitung
menggunakan persamaan berikut.
(2.2)
Dengan menganggap bahwa bahan bakar yang digunakan adalah isooctane
maka reaksi pembakaran yang terjadi sebagai berikut :
C8H18 + 12,5O2 + 12,5 (3,76)N2 à 8CO2 + 9H2O + 12,5(3,76)N2 (2.3)
Untuk pembakaran isooctane (C8H18), nilai heat of combustion yang dapat
dihasilkan adalah sebesar 47,9 MJ/kg pada kondisi STP (Sumber: Slide Teknik
Pembakaran Combustion Theory p20. Yulianto S. Nugroho). Reaksi pembakaran
tersebut terjadi di dalam ruang bakar pada tekanan dan suhu yang tinggi. Motor
pembakaran dalam yang baik mempunyai komposisi gas buang berupa CO2, H2O,
N2 seperti reaksi di atas, namun adakalanya terjadi pembakaran yang kurang
sempurna sehingga akan menghasilkan emisi gas berupa CO, HC, gas tersebut
juga bersifat beracun. Agar dapat terjadi pembakaran yang sempurna diperlukan
perbandingan yang tepat antara massa bahan-bakar / massa udara (AFR).
Pembakaran Dengan Penambahan Gas Elektrolisis
Dalam percobaan yang dilakukan dengan penambahan gas elektrolisis air,
bahan bakar yang masuk ke ruang bakar bukan hanya bensin saja melainkan
bensin dan gas elektrolisis air ( H2 + 0,5 O2) dan dengan asumsi bahwa jumlah gas
H2 + O2 yang di hasilkan reaktor elektrolisis air adalah proporsional, maka
stoikiometri pembakaran yang terjadi adalah:
C8H18 + 12,5O2 + 12,5 (3,76)N2 + n (H2 + 0,5 O2) à 8CO2 + (9 + n) H2O +
12,5(3,76)N2 (2.4)
Dengan menambah sejumlah n H2 + 0,5 O2 , di mana nilai n adalah jumlah
mol gas elektrolisis yang masuk ke ruang bakar. Penambahan gas elektrolisis ini
secara ideal tidak mempengaruhi AFR standarnya, karena oksidator gas H2 telah
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
11
Universitas Indonesia
setimbang dari yang dihasilkan oleh reaktor elektrolisis air. (Sumber: Analisis
Penggunaan Gas Hidrogen Hasil Elektrolisis Air Pada Motor Bakar 4 Langkah
Yang Diinjeksikan Setelah Karburator Dengan Variasi Derajat Timing Pengapian,
Arandityo Narutomo)
2.4 Sistem Bahan Bakar pada Sepeda Motor
Karburator adalah sebuah alat yang mencampur udara dan bahan bakar
untuk sebuah mesin pembakaran dalam. Karburator masih digunakan dalam mesin
kecil dan dalam mobil tua atau khusus seperti yang dirancang untuk balap mobil
stock. Kebanyakan mobil yang diproduksi pada awal 1980-an telah menggunakan
injeksi bahan bakar elektronik terkomputerisasi. Mayoritas motor masih
menggunakan karburator dikarenakan lebih ringan dan murah, namun pada 2005
sudah banyak model baru diperkenalkan dengan injeksi bahan bakar.
Prinsip Kerja
Pada dasarnya karburator bekerja menggunakan Prinsip Bernoulli:
semakin cepat udara bergerak maka semakin kecil tekanan statis-nya
namun makin tinggi tekanan dinamis-nya. Pedal gas pada mobil
sebenarnya tidak secara langsung mengendalikan besarnya aliran bahan
bakar yang masuk kedalam ruang bakar. Pedal gas sebenarnya
mengendalikan katup dalam karburator untuk menentukan besarnya aliran
udara yang dapat masuk kedalam ruang bakar. Udara bergerak dalam
karburator inilah yang memiliki tekanan untuk menarik serta bahan bakar
masuk kedalam ruang bakar.
Kebanyakan mesin berkarburator hanya memiliki satu buah
karburator, namun ada pula yang menggunakan satu karburator untuk tiap
silinder yang dimiliki. Bahkan sempat menjadi trend modifikasi sepeda
motor di Indonesia penggunaan multi-carbu (banyak karburator) namun
biasanya hal ini hanya digunakan sebagai hiasan saja tanpa ada fungsi
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
12
Universitas Indonesia
teknisnya. Mesin-mesin generasi awal menggunakan karburator aliran
keatas (updraft), dimana udara masuk melalui bagian bawah karburator
lalu keluar melalui bagian atas. Keuntungan desain ini adalah dapat
menghindari terjadinya mesin banjir, karena kelebihan bahan bakar cair
akan langsung tumpah keluar karburator dan tidak sampai masuk kedalam
intake mainfold; keuntungan lainnya adalah bagian bawah karburator
dapat disambungkan dengan saluran oli supaya ada sedikit oli yang ikut
kedalam aliran udara dan digunakan untuk membasuh filter udara; namun
dengan menggunakan filter udara berbahan kertas pembasuhan
menggunakan oli ini sudah tidak diperlukan lagi sekarang ini.
Pada setiap saat beroperasinya, karburator harus mampu:
• Mengatur besarnya aliran udara yang masuk kedalam ruang bakar
Menyalurkan bahan bakar dengan jumlah yang tepat sesuai dengan
aliran udara yang masuk kedalam ruang bakar sehingga rasio bahan
bakar/udara tetap terjaga.
• Mencampur airan udara dan bahan bakar dengan rata dan sempurna
Hal diatas bakal mudah dilakukan jika saja bensin dan udara adalah
fluida ideal; tapi kenyataannya, dengan sifat alami mereka, yaitu adanya
viskositas, gaya gesek fluida, inersia fluida, dan sebagainya karbrator
menjadi sangat kompleks dalam mengatasi keadaan tidak ideal ini. Juga
karburator harus tetap mampu memproduksi campuran bensin/udara yang
tepat dalam kondisi apapun, karena karburator harus beroperasi dalam
temperatur, tekanan udara, putaran mesin, dan gaya sentrifugal yang
sangat beragam.
2.5 Emisi Gas Buang
Dalam proses pembakaran, tiap macam bahan bakar selalu membutuhkan
rasio yang tepat antara udara dan bahan bakar agar bahan bakar dapat dibakar
secara sempurna. Jika pembakaran tidak sempurna, maka akan timbul zat sisa
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
13
Universitas Indonesia
hasil pembakaran seperti HC, CO, CO2, NOx dan O2. Gas sisa hasil pembakaran
tersebut juga dapat dijadikan indikasi bagaimana kinerja proses pembakaran
dalam sebuah mesin otto.
2.5.1 Hidrokarbon (HC)
HC adalah gas buang yang diakibatkan karena bahan bakar yang
tidak terbakar. HC ini adalah bagian dari bensin yang dilepaskan baik
dalam bentuk tidak berbakar atau terpecah dengan tidak sempurna. Ada
beberapa faktor yang menyebabkan adanya HC; sebagi contoh: pembkaran
yang tidak sempurna oleh oksigen yang tidak mencukupi, nyala yang
tertekan di dekat dinding mesin interior, turunnya suhu yang disebabkan
oleh rendahnya kandungan bensin, dan lain-lain. Dengan kata lain, kita
dapat mengatakan bahwa HC adalah komponen bensin yang tersisa dan
tidak terbakar atau bentuknya berubah tanpa terbakar dengan sempurna.
• Molekul ringan, tidak terlihat sehingga melayang di udara
• Berbahaya bagi kesehatan, mengikat hemoglobin darah kita
• Semakin kecil HC semakin bagus
2.5.2 Karbon Monoksida (CO)
“Membakar sesuatu” adalah reaksi oksidasi. Ketika terdapat
kekurangan oksigen sebagai zat oksidator, senyawa yang terbakar tidak
teroksidasi dengan sempurna, yakni tidak menjadi CO2, tapi hanya
menjadi CO.
• Adalah gas yang timbul sebagai reaksi dari pembakaran yang tidak
sempurna
• Bersifat ringan, tidak terlihat sehingga melayang di udara
• Berbahaya bagi kesehatan, ISPA, Kanker, penurunan kecerdasan
• Diukur dalam persentase 0,5 – 3% adalah hasil yang ideal
2.5.3 Karbon Dioksida (CO2)
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
14
Universitas Indonesia
CO2 adalah produk akhir proses oksidasi bensin. Senyawa ini
dihasilkan dari penggabungan C dalam bensin dengan O2 dalam udara.
CO2 itu sendiri bukan komponen yang berbahaya. Namun, jika konsentrasi
CO2 tinggi di bumi, maka akan mencegah panas permukaan keluar ke
angkasa luar, yang akhirnya akan meningkatkan suhu bumi. Gas-gas,
seperti CO2, yang memiliki efek meningkatkan suhu di bumi, disebut gas
rumah kaca.
2.5.4 Nox
Dua komponen di atas (HC dan CO) adalah produk yang
dihasilkan karena mereka tidak terbakar dengan sempurna, sehingga
mereka tidak menjadi CO2 selama proses pembakaran bensin (reaksi
oksidasi). Di sisi lain, mekanisme pembentukan Nox adalah sangat jauh
berbeda dari dua komponen ini. N dan O dalam NOx berasal dari udara. N2
dan O2 masing-masing bersifat inert di udara , namun, mereka bereaksi
antara satu dengan lainnya dan menghasilkan NOx pada kondisi suhu
tinggi ketika pembakaran bensin. Karena itu, semakin tinggi suhunya,
semakin banyak NOx dihasilkan.
2.5.5 Oksigen (O2)
Excess air adalah persentase oksigen dalam fraksi massa yang
terkandung di dalam udara hasil pembakaran Dalam usaha untuk
mengontrol pembakaran pada sebuah ruang bakar, nilai excess air ini
digunakan untuk mengontrol supply udara yang digunakan pada proses
pembakaran. Semakin besar nilai excess air maka hal ini merupakan
indikasi pembakaran yang sempurna di dalam ruang bakar semakin baik.
Sebaliknya, jika nilai excess air rendah maka hal ini mengindikasikan
proses pembakaran yang kurang sempurna. Dan untuk mengatasinya,
supply udara untuk proses pembakaran perlu ditambah debitnya. Jika
bahan bakar yang dimasukkan jumlahnya lebih banyak, maka excess air
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
15
Universitas Indonesia
ratio menjadi semakin kecil, sedangkan jika jumlah bahan bakar menjadi
sedikit, excess air ratio menjadi semakin besar
2.6 Elektrolisis
Elektrolisis adalah peristiwa penguraian elektrolit dalam sel elektrolisis
oleh arus listrik pada sebuah sel elektrolisis. Sel Elektrolisis adalah sel yang
menggunakan arus listrik untuk menghasilkan reaksi redoks yang diinginkan dan
digunakan secara luas di dalam masyarakat kita. Baterai aki yang dapat diisi ulang
merupakan salah satu contoh aplikasi sel elektrolisis dalam kehidupan sehari-hari.
Baterai aki yang sedang diisi kembali (recharge) mengubah energi listrik yang
diberikan menjadi produk berupa bahan kimia yang diinginkan. Air, H2O, dapat
diuraikan dengan menggunakan listrik dalam sel elektrolisis. Proses ini akan
mengurai air menjadi unsur-unsur pembentuknya. Reaksi yang terjadi adalah
sebagai berikut:
2 H2O(l) ——> 2 H2(g) + O2(g) (2.5)
Rangkaian sel elektrolisis hampir menyerupai sel volta. Yang
membedakan sel elektrolisis dari sel volta adalah, pada sel elektrolisis, komponen
voltmeter diganti dengan sumber arus (umumnya baterai). Larutan atau lelehan
yang ingin dielektrolisis, ditempatkan dalam suatu wadah. Selanjutnya, elektroda
dicelupkan ke dalam larutan maupun lelehan elektrolit yang ingin dielektrolisis.
Elektroda yang digunakan umumnya merupakan elektroda inert, seperti Grafit
(C), Platina (Pt), dan Emas (Au). Elektroda berperan sebagai tempat
berlangsungnya reaksi. Reaksi reduksi berlangsung di katoda, sedangkan reaksi
oksidasi berlangsung di anoda. Kutub negatif sumber arus mengarah pada katoda
(sebab memerlukan elektron) dan kutub positif sumber arus tentunya mengarah
pada anoda. Akibatnya, katoda bermuatan negatif dan menarik kation-kation yang
akan tereduksi menjadi endapan logam. Sebaliknya, anoda bermuatan positif dan
menarik anion-anion yang akan teroksidasi menjadi gas. Terlihat jelas bahwa
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
16
Universitas Indonesia
tujuan elektrolisis adalah untuk mendapatkan endapan logam di katoda dan gas di
anoda.
Reaksi : Elektrolisis larutan KOH dalam air :
Katoda : [2H2O(l) + 2e → 2OH-(aq) + H2(g)] x 2 E= -0,82V
Anoda : 4OH-(aq) → 2H2O(l) + O2(g) + 4e + E= -0,40V
2H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g) E= -1,22V (2.6)
Nilai potensial reduksi sel adalah sebesar -1,22V. Hal ini berarti reaksi
elektrolisis dengan elektrolit KOH tidak terjadi secara spontan. Proses elektrolisis
ini membutuhkan sumber energi tambahan dari luar (tak dapat berjalan dengan
sendirinya).
Satuan yang sering ditemukan dalam aspek kuantitatif sel elektrolisis
adalah Faraday (F). Faraday didefinisikan sebagai muatan (dalam Coulomb) mol
elektron. Satu Faraday equivalen dengan satu mol elektron. Demikian halnya,
setengah Faraday equivalen dengan setengah mol elektron. Sebagaimana yang
telah kita ketahui, setiap satu mol partikel mengandung 6,02 x 1023 partikel.
Sementara setiap elektron mengemban muatan sebesar 1,6 x 10-19 C. Dengan
demikian :
1 Faraday = 1 mol
elektron = 6,02 x 1023 partikel
elektron x 1,6 x 10-19 C/partikel
elektron
1 Faraday = 96320 C (sering
dibulatkan menjadi 96500 C
untuk mempermudah
perhitungan)
Hubungan antara Faraday dan Coulomb dapat dinyatakan dalam persamaan
berikut :
Faraday = Coulomb / 96500 (2.7)
Coulomb = Faraday x 96500 (2.8)
Coulomb adalah satuan muatan listrik. Coulomb dapat diperoleh melalui perkalian
arus listrik (Ampere) dengan waktu (detik). Persamaan yang menunjukkan
hubungan Coulomb, Ampere, dan detik adalah sebagai berikut :
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
17
Universitas Indonesia
Coulomb = Ampere x Detik
Q = I x t (2.9)
Dengan demikian, hubungan antara Faraday, Ampere, dan detik adalah sebagai
berikut :
Faraday = (Ampere x Detik) / 96500
Faraday = (I x t) / 96500 (2.10)
Dengan mengetahui besarnya Faraday pada reaksi elektrolisis, maka mol
elektron yang dibutuhkan pada reaksi elektrolisis dapat ditentukan. Selanjutnya,
dengan memanfaatkan koefisien reaksi pada masing-masing setengah reaksi di
katoda dan anoda, kuantitas produk elektrolisis dapat ditemukan. Berikut ini
adalah hukum Faraday tentang terjadinya proses elektrolisis air.
"Massa zat yang terbentuk pada masing-masing elektroda sebanding
dengan kuat arus/arus listrik yang mengalir pada elektrolisis tersebut".
Rumus:
m = e . I . t / F (2.11)
Keterangan:
F = 96.500
q = i . t
m = massa zat yang dihasilkan (gram)
e = berat ekivalen = Ar/ Valensi= Mr/Valensi
i = kuat arus listrik (amper)
t = waktu (detik)
q = muatan listrik (coulomb)
(Sumber: Analisis Penggunaan Gas Hidrogen Hasil Elektrolisis Air Pada Motor
Bakar 4 Langkah Yang Diinjeksikan Setelah Karburator Dengan Variasi Derajat
Timing Pengapian, Arandityo Narutomo)
2.7 Gas Hidrogen
Hidrogen telah digunakan bertahun-tahun sebelum akhirnya dinyatakan
sebagai unsur yang unik oleh Cavendish di tahun 1776. Dinamakan hidrogen oleh
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
18
Universitas Indonesia
Lavoisier, hidrogen adalah unsur yang terbanyak dari semua unsur di alam
semesta. Elemen-elemen yang berat pada awalnya dibentuk dari atom-atom
hidrogen atau dari elemen-elemen yang mulanya terbuat dari atom-atom hidrogen.
Hidrogen diperkirakan membentuk komposisi lebih dari 90% atom-atom
di alam semesta (sama dengan tiga perempat massa alam semesta). Unsur ini
ditemukan di bintang-bintang dan memainkan peranan yang penting dalam
memberikan sumber energi jagat raya melalui reaksi proton-proton dan siklus
karbon-nitrogen. Proses fusi atom-atom hidrogen menjadi helium di matahari
menghasilkan jumlah energi yang sangat besar.
Hidrogen dapat dipersiapkan dengan berbagai cara:
• Uap dari elemen karbon yang dipanaskan
• Dekomposisi beberapa jenis hidrokarbon dengan energi kalor
• Reaksi-reaksi natrium atau kalium hidroksida pada aluminium
• Elektrolisis air
• Pergeseran asam-asam oleh metal-metal tertentu
Hidrogen dalam bentuk cair sangat penting untuk bidang penelitian suhu
rendah (cryogenics) dan studi superkonduktivitas karena titik cairnya hanya 20
derajat di atas 0 Kelvin. Tritium (salah satu isotop hidrogen) dapat diproduksi
dengan mudah di reaktor-reaktor nuklir dan digunakan dalam produksi bom
hidrogen.
Hidrogen adalah komponen utama planet Jupiter dan planet-planet gas
raksasa lainnya. Karena tekanan yang luar biasa di dalam planet-planet tersebut,
bentuk padat hidrogen molekuler dikonversi menjadi hidrogen metalik.
Di tahun 1973, ada beberapa ilmuwan Rusia yang bereksperimen
memproduksi hidrogen metalik pada tekanan 2.8 megabar. Pada titik transisi,
berat jenisnya berubah dari 1.08 menjadi 1.3 gram/cm3. Satu tahun sebelumnya di
Livermore, California, satu grup ilmuwan juga memberitakan eksperimen yang
hampir sama di mana fenomena yang mereka amati terjadi pada titik tekanan-
volume yang berpusar pada 2 megabar. Beberapa prediksi mengemukakan bahwa
hidrogen metalik mungkin metastabil. Yang lainnya memprediksikan hidrogen
mungkin berupa superkonduktor di suhu ruangan.
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
19
Universitas Indonesia
Tabel 2.1 sifat hidrogen
(Sumber: Ali Can Yilmaz. Effect of Gas Hidroxy (HHO) Gas Adition on Performance and Exhaust
Emissions in Compression Ignition Engine)
Senyawa
Walau hidrogen adalah benda gas, kita sangat jarang
menemukannya di atmosfer bumi. Gas hidrogen yang sangat ringan, jika
tidak terkombinasi dengan unsur lain, akan berbenturan dengan unsur lain
dan terkeluarkan dari lapisan atmosfer. Di bumi hidrogen banyak
ditemukan sebagai senyawa (air) di mana atom-atomnya bertaut dengan
atom-atom oksigen. Atom-atom hidrogen juga dapat ditemukan di
tetumbuhan, petroleum, arang, dan lain-lain. Sebagai unsur yang
independen, konsentrasinya di atmosfer sangat kecil (1 ppm by volume).
Sebagai gas yang paling ringan, hidrogen berkombinasi dengan elemen-
elemen lain . kadang-kadang secara eksplosif ? untuk membentuk berbagai
senyawa.
Kegunaan
Hidrogen banyak digunakan untuk mengikat nitrogen dengan unsur
lain dalam proses Haber (memproduksi amonia) dan untuk proses
hidrogenasi lemak dan minyak. Hidrogen juga digunakan dalam jumlah
yang banyak dalam produksi methanol, di dealkilasi hidrogen
(hydrodealkylation), katalis hydrocracking, dan sulfurisasi hidrogen.
Kegunaan-kegunaan lainnya termasuk sebagai bahan bakar roket,
memproduksi asam hidroklorida, mereduksi bijih-bijih besi dan sebagai
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
20
Universitas Indonesia
gas pengisi balon. Daya angkat 1 kaki kubik gas hidrogen sekitar 0.07 lbf
pada suhu 0 derajat Celsius dan tekanan udara 760 mm Hg.
Baterai yang berbahan bakar hidrogen (Hydrogen Fuel cell) adalah
teknologi baru yang sedang dikembangkan, di mana tenaga listrik dalam
jumlah besar dapat dihasilkan dari gas hidrogen. Pabrik-pabrik baru dapat
dibangun dekat dengan laut untuk melakukan proses elektrolisis air laut
guna memproduksi hidrogen. Gas yang bebas polusi ini lantas dapat
dialirkan melalui pipa-pipa dan disalurkan ke daerah-daerah pemukiman
dan kota-kota besar. Hidrogen dapat menggantikan gas alam lainnya,
bensin, agen dalam proses metalurgi dan berbagai proses kimia
(penyulingan), dan mengubah sampah menjadi metan dan etilen. Kendala-
kendala yang ada untuk mewujudkan impian tersebut masih banyak. Di
antaranya persetujuan publik, penanaman modal yang besar dan harga
hidrogen yang masih jauh lebih mahal ketimbang bahan bakar lainnya
sekarang.
Dalam keadaan yang normal, gas hidrogen merupakan campuran
antara dua molekul, yang dinamakan ortho- dan para- hidrogen, yang
dibedakan berdasarkan spin elektron-elektron dan nukleus.
Hidrogen normal pada suhu ruangan terdiri dari 25% parahidrogen
dan 75% ortho-hidrogen. Bentuk ortho tidak dapat dipersiapkan dalam
bentuk murni. Karena kedua bentuk tersebut berbeda dalam energi, sifat-
sifat kebendaannya pun juga berbeda. Titik-titik lebur dan didih
parahidrogen sekitar 0.1 derajat Celcius lebih rendah dari hidrogen
normal.
2.8 Mikrokontroler
Mikrokontroler adalah single chip computer yang memiliki kemampuan
untuk diprogram dan digunakan untuk tugas-tugas yang berorientasi kontrol.
Mikrokontroler datang dengan dua alasan utama, yang pertama adalah kebutuhan
pasar (market need) dan yang kedua adalah perkembangan teknologi baru. Yang
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
21
Universitas Indonesia
dimaksud dengan kebutuhan pasar adalah kebutuhan yang luas dari produk-
produk elektronik akan perangkat pintar sebagai pengontrol dan pemroses data.
Sedangkan yang dimaksud dengan perkembangan teknologi baru adalah
perkembangan teknologi semikonduktor yang memungkinkan pembuatan chip
dengan kemampuan komputasi yang sangat cepat, bentuk yang semakin mungil,
dan harga yang semakin murah.
Perbedaan Mikrokontroller dan Mikroprosesor
Terdapat perbedaan yang signifikan antara mikrokontroler dan
mikroprosessor. Perbedaan yang utama antara keduanya dapat dilihat dari dua
faktor utama yaitu arsitektur perangkat keras (hardware architecture) dan
aplikasi masing-masing.
• Ditinjau dari segi arsitekturnya, mikroprosesor hanya merupakan single
chip CPU, sedangkan mikrokontroler dalam IC-nya selain CPU juga
terdapat device lain yang memungkinkan mikrokontroler berfungsi
sebagai suatu single chip computer. Dalam sebuah IC mikrokontroler telah
terdapat ROM, RAM, EPROM, serial interface dan paralel interface,
timer, interrupt controller, konverter Anlog ke Digital, dan lainnya
(tergantung feature yang melengkapi mikrokontroler tersebut).
• Sedangkan dari segi aplikasinya, mikroprosessor hanya berfungsi sebagai
Central Processing Unit yang menjadi otak komputer, sedangkan
mikrokontroller, dalam bentuknya yang mungil, pada umumnya ditujukan
untuk melakukan tugas–tugas yang berorientasi kontrol pada rangkaian
yang membutuhkan jumlah komponen minimum dan biaya rendah (low
cost).
Aplikasi Mikrokontroler
Karena kemampuannya yang tinggi, bentuknya yang kecil, konsumsi
dayanya yang rendah, dan harga yang murah maka mikrokontroler begitu
banyak digunakan di dunia. Mikrokontroler digunakan mulai dari mainan
anak-anak, perangkat elektronik rumah tangga, perangkat pendukung
otomotif, peralatan industri, peralatan telekomunikasi, peralatan medis dan
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
22
Universitas Indonesia
kedokteran, sampai dengan pengendali robot serta persenjataan militer.
Terdapat beberapa keunggulan yang diharapkan dari alat-alat yang berbasis
mikrokontroler (microcontroller-based solutions) :
• Kehandalan tinggi (high reliability) dan kemudahan integrasi dengan
komponen lain (high degree of integration)
• Ukuran yang semakin dapat diperkecil (reduced in size)
• Penggunaan komponen dipersedikit (reduced component count) yang juga
akan menyebabkan biaya produksi dapat semakin ditekan (lower
manufacturing cost)
• Waktu pembuatan lebih singkat (shorter development time) sehingga lebih
cepat pula dijual ke pasar sesuai kebutuhan (shorter time to market)
• Konsumsi daya yang rendah (lower power consumption)
Perkembangan Mikrokontroler
Karena kebutuhan yang tinggi terhadap “chip-chip pintar” dengan
berbagai fasilitasnya, maka berbagai vendor juga berlomba untuk menawarkan
produk-produk mikrokontrolernya. Hal tersebut terjadi semenjak tahun 1970-
an. Motorola mengeluarkan seri mikrokontroler 6800 yang terus
dikembangkan hingga sekarang menjadi 68HC05, 68HC08, 68HC11,
68HC12, dan 68HC16. Zilog juga mengeluarkan seri mikroprosesor Z80-nya
yang terkenal dan terus dikembangkan hingga kini menjadi Z180 dan
kemudian diadopsi juga oleh mikroprosesor Rabbit. Intel mengeluarkan
mikrokontrolernya yang populer di dunia yaitu 8051, yang karena begitu
populernya maka arsitektur 8051 tersebut kemudian diadopsi oleh vendor lain
seperti Phillips, Siemens, Atmel, dan vendor-vendor lain dalam produk
mikrokontroler mereka. Selain itu masih ada mikrokontroler populer lainnya
seperti Basic Stamps, PIC dari Microchip, MSP 430 dari Texas Instrument
dan masih banyak lagi.
Selain mikroprosesor dan mikrokontroler, sebenarnya telah bemunculan
chip-chip pintar lain seperti DSP prosesor dan Application Spesific Integrated
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
23
Universitas Indonesia
Circuit (ASIC). Di masa depan, chip-chip mungil berkemampuan sangat
tinggi akan mendominasi semua desain elektronik di dunia sehingga mampu
memberikan kemampuan komputasi yang tinggi serta meminimumkan jumlah
komponen-komponen konvensional.
(Sumber: Pemrograman Mikrokontroler AVR ATMEGA16 Menggunakan
Bahasa C [Codevision AVR], Heri Andrianto)
2.9 Pulse Width Modulation
PWM merupakan suatu teknik teknik dalam mengatur kerja suatu
peralatan yang memerlukan arus pull in yang besar dan untuk menghindari
disipasi daya yang berlebihan dari peralatan yang akan dikontrol.
PWM merupakan suatu metoda untuk mengatur kecepatan perputaran motor
dengan cara mengatur prosentase lebar pulsa high terhadap perioda dari suatu
sinyal persegi dalam bentuk tegangan periodik yang diberikan ke motor sebagai
sumber daya. Semakin besar perbandingan lama sinyal high dengan perioda sinyal
maka semakin cepat motor berputar.
Sinyal PWM dapat dibangun dengan banyak cara, dapat menggunakan
metode analog menggunakan rankaian op-amp atau dengan menggunakan metode
digital. Dengan metode analog setiap perubahan PWM-nya sangat halus,
sedangkan menggunakan metode digital setiap perubahan PWM dipengaruhi oleh
resolusi dari PWM itu sendiri. Misalkan PWM digital 8 bit berarti PWM tersebut
memiliki resolusi 2 pangkat 8 = 256, maksudnya nilai keluaran PWM ini memiliki
256 variasi, variasinya mulai dari 0 – 255 yang mewakili duty cycle 0 – 100% dari
keluaran PWM tersebut. Pada perancangan driver ini, sinyal PWM akan diatur
secara digital yang dibangkitkan oleh mikrokontroler ATMEGA 16.
Proses pembangkitan sinyal PWM pada mikrokontroler AVR ATMEGA
16 adalah sebagai berikut.
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
24
Universitas Indonesia
Gambar 2.4 proses pembangkitan sinyal pada ATMEGA
Sumber: digilib.ittelkom.ac.id Resolusi adalah jumlah variasi perubahan nilai dalam PWM tersebut.
Misalkan suatu PWM memiliki resolusi 8 bit berarti PWM ini memiliki variasi
perubahan nilai sebanyak 2 pangkat 8 = 256 variasi mulai dari 0 – 255 perubahan
nilai. Compare adalah nilai pembanding. Nilai ini merupakan nilai referensi duty
cycle dari PWM tersebut. Nilai compare bervariasi sesuai dengan resolusi dari
PWM. Dalam gambar nilai compare ditandai dengan garis warna merah, dimana
posisinya diantara dasar segitiga dan ujung segitiga.
Clear digunakan untuk penentuan jenis komparator apakah komparator
inverting atau non-inverting. Mikrokontroler akan membandingkan posisi
keduanya, misalkan bila PWM diset pada kondisi clear down, berarti apabila
garis segitiga berada dibawah garis merah (compare) maka PWM akan
mengeluarkan logika 0. Begitu pula sebaliknya apabila garis segitiga berada diatas
garis merah (compare) maka PWM akan mengeluarkan logika 1. Lebar sempitnya
logika 1 ditentukan oleh posisi compare, lebar sempitnya logika 1 itulah yang
menjadi nilai keluaran PWM,dan kejadian ini terjadi secara harmonik terus-
menerus. Maka dari itu nilai compare inilah yang dijadikan nilai duty cycle PWM.
Clear Up adalah kebalikan (invers) dari Clear Down pada keluaran logikanya.
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
25
Universitas Indonesia
Gambar 2.5 Perbedaan clear up dan clear down
Sumber: digilib.ittelkom.ac.id Prescale digunakan untuk menentukan waktu perioda dari pada PWM.
Nilai prescale bervariasi yaitu 1, 8, 32, 64, 128, 256, 1024. Misalkan jika prescale
diset 64 berarti timer/PWM akan menghitung 1 kali bila clock di CPU sudah 64
kali, Clock CPU adalah clok mikrokontroler itu sendiri. Perioda dari PWM dapat
dihitung menggunakan rumus
(2.12)
Setting prescale disini digunakan untuk mendapatkan frekuensi dan periode kerja
PWM sesuai dengan spesifikasi yang dibutuhkan.
Dengan cara mengatur lebar pulsa “on” dan “off” dalam satu perioda
gelombang melalui pemberian besar sinyal referensi output dari suatu PWM
akan didapat duty cycle yang diinginkan. Duty cycle dari PWM dapat dinyatakan
sebagai
(2.13)
Duty cycle 100% berarti sinyal tegangan pengatur motor dilewatkan
seluruhnya. Jika tegangan catu 100V, maka motor akan mendapat tegangan 100V.
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
26
Universitas Indonesia
pada duty cycle 50%, tegangan pada motor hanya akan diberikan 50% dari total
tegangan yang ada, begitu seterusnya.
Gambar 2.6 Tegangan rata-rata Sinyal PWM
Sumber: http://ini-robot.blogspot.com/2012/05/pulse-width-modulation-pwm.html Perhitungan Pengontrolan tegangan output motor dengan metode PWM
cukup sederhana.
Gambar 2.7 Grafik load voltage dan average voltage
Sumber: digilib.ittelkom.ac.id Dengan menghitung duty cycle yang diberikan, akan didapat tegangan
output yang dihasilkan. Sesuai dengan rumus yang telah dijelaskan pada gambar.
(2.14)
Average voltage merupakan tegangan output pada motor yang dikontrol
oleh sinyal PWM. a adalah nilai duty cycle saat kondisi sinyal “on”. b adalah
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
27
Universitas Indonesia
nilai duty cycle saat kondisi sinyal “off”. V full adalah tegangan maximum pada
motor. Dengan menggunakan rumus diatas, maka akan didapatkan tegangan
output sesuai dengan sinyal kontrol PWM yang dibangkitkan.
Gambar 2.8 Sinyal PWM dan Persamaan Vout PWM
Sumber: http://ini-robot.blogspot.com/2012/05/pulse-width-modulation-pwm.html
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
28 Universitas Indonesia
BAB III METODE PENELITIAN
3.1 Rancangan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk mengendalikan proses elektrolisis air
dengan desain sistem kontrol berbasis PWM untuk menghasilkan gas hidrogen
untuk dimasukkan ke intake manifold pada motor bakar empat langkah. Parameter
proses elektrolisis tersebut berupa konsumsi energi yang digunakan untuk
mengelektrolisis dan debit gas hidrogen yang dihasilkan.
Untuk mendapatkan pembakaran yang lebih baik, belum ada teori yang
membuktikan tentang bagaimanakah efek jumlah hidrogen yang perlu
dimasukkan ke ruang bakar terhadap pembakaran yang sempurna. Oleh karena itu
dirancang sistem Pulse Width Modulation (PWM) untuk mengatur masukan
energi listrik ke sel elektrolisis. Dengan pengaturan tersebut, produksi gas
hidrogen dapat dikontrol berdasarkan nilai masukan kecepatan putaran dari mesin.
Pengujian sel elektrolisis dilakukan dengan parameter tegangan, kuat arus,
suhu, debit gas dan besar energi listrik yang digunakan untuk elektrolisis.
Pengujian kinerja motor bakar dilakukan dengan beberapa kondisi uji, yaitu :
1. Kondisi 1: Motor standar tanpa hidrogen
2. Kondisi 2: Motor dengan hidrogen hasil elektrolisis air dengan sumber
listrik dari kabel lampu depan motor
3. Kondisi 3: Motor dengan hidrogen hasil elektrolisis air dilengkapi dengan
sistem kontrol
3.2 Peralatan Uji
1. Sepeda Motor Supra X 125
Sepeda motor yang digunakan memiliki spesifikasi sebagai berikut:
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
29
Universitas Indonesia
Gambar 3.1 Motor Supra X125 Tahun 2005
Panjang X lebar X tinggi
: 1.932x711x1.092 mm
Jarak sumbu roda : 1.234 mm
Jarak terendah ke tanah : 147 mm
Berat kosong : 107 kg
Tipe rangka : Tulang punggung
Tipe suspensi depan : Teleskopik
Tipe suspensi belakang : Lengan ayun dan peredam kejut ganda
Ukuran ban depan : 70/90 - 17M/C 38P
Ukuran ban belakang : 80/90 - 17M/C 44P
Rem depan : Cakram Hidrolik, Piston ganda
Rem belakang : Tromol
Kapasitas tangki bahan bakar : 3,7 liter
Tipe mesin : 4 langkah, SOHC, pendinginan udara
Diameter x langkah : 50 x 49,5 mm
Volume langkah : 124,8 cc
Perbandingan kompresi : 9,3 : 1
Kopling Otomatis : Ganda, otomatis sentrifugal, tipe basah
Gigi transmsi : 4 kecepatan, bertautan tetap
Pola pengoperan gigi : N-1-2-3-4-N (rotari)
Starter : Pedal dan elektrik
Aki : 12 V; 3,5 Ah
Busi : ND U20FS, U22FS-U ; NGK C6HSA, C7HSA
Sistem pengapian : AC-CDI, Magneto
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
30
Universitas Indonesia
2. Gas analyzer
Alat uji emisi yang digunakan adalah tipe 488 plus dari
technotest.Spesifikasi gas analyzer yang digunakan adalah:
Gambar 3.2 alat uji Gas analyzer (Sumber: www.technotest.com )
Mains power supply 110/220/240 V (±15%)
50-60 Hz (±3%)
Measuring range CO 0-99,9% Vol (res. 0.01)
CO2 0-19,9% Vol (res. 0.1)
HC 0-9999 ppm Vol (res.1)
O2 0-4% Vol. (res.0.01)
O2 4-25,0% Vol (res. 0.1)
Nox 0-2000 ppm Vol (res.5)
Lambda 0.5-2,000(res. 0,001)
Induction rpm counter 0-9990 rpm (res. 10)
Electronic Lambda test YES
Operati ng temperature (°C) 5-40
Measuring gas induction 8 l/min (approx)
Response time <10sec (probe length 3mt)
Zero setting Electronic and automatic
Condensate drain Continuous and automatic
Warm up time Max 15 min
Serial output RS232
Dimension 400x180x420 mm
Weight 13.5kg
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
31
Universitas Indonesia
3. Alat Ukur Flowmeter Gas
Flowmeter gas digunakan untuk mengukur debit gas hasil proses
elektrolisis. Debit dapat dinyatakan dengan satuan LPM (liter per menit)
ataupun dengan cc/menit. Berikut ini adalah spesifikasi flowmeter yang
digunakan.
Gambar 3.3 flowmeter Dwyer RMA-11
(Sumber: www.ebay.com )
Tipe : Dwyer RMA-11SSV
Range pengukuran : 30-240 cc/menit
Batas suhu : 130oF (54oC)
Batas tekanan : 100psi (6,9bar)
4. Multitester Dekko 86D
Multitester digunakan untuk mengukur kuat arus dan tegangan. Berikut
adalah spesifikasi alat tersebut.
Gambar 3.4 Multitester
(Sumber: www.indonetwork.com)
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
32
Universitas Indonesia
Max DC Voltage : 1000V
Max DC Ampere : 10 A
Max AC Voltage : 750V
5. Tachometer digital
6. Gelas ukur 25mL
7. Wattmeter Turnigy 130A
Wattmeter digunakan untuk mengukur konsumsi energi listrik pada sel
elektrolisis. Berikut ini adalah spesifikasi wattmeter yang digunakan.
Gambar 3.5 Wattmeter Turnigy 130A
(Sumber: www.ebay.com )
Operating voltage: 4.8~60V (0V with optional auxiliary battery)
Measures;
0~130A, resolution 0.01A
0~60V, resolution 0.01V
0~6554W, resolution 0.1W
0~65Ah, resolution 0.001Ah
0~6554Wh, resolution 0.1Wh
Screen: 16x2, backlit LCD display
Size: 85x42x25mm
Weight: 82g
8. Dynojet 250i
Dynojet 250i digunakan untuk mendapatkan data Brake Horse Power (BHP)
dan torsi dari sepeda motor. Berikut ini adalah spesifikasinya.
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
33
Universitas Indonesia
Gambar 3.6 Alat dynojet 250i (Sumber: www.dynojet.com )
Tabel 3.1 Spesifikasi dynojet 250i (Sumber: www.dynojet.com )
Base Length 79.83"
Base Width 29.83" (202.8 cm)
Base Height 18.10" (45.9 cm)
Drum Diameter 18" (45.72 cm) per wheel
Drum Width 16.37" (41.59 cm)
Drum Concentricity +/- 0.001" (+/-0.025 mm)
Maximum Length (Front of Front Wheel to Center of Rear Wheel)
84" (213.4 cm)
Dynamometer 2375 lbs (1077 Kg) (approx.)
Crated Dynamometer 2500 lbs (1134 Kg) (approx.)
Drum A 106 Steel
Shaft 2 3/16 inch 1144 turned ground & polished steel
Frame 10 Gauge Cold Roll Steel
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
34
Universitas Indonesia
Modeled Mass (Standard) 450 lbs (204 Kg) (approx.)
Modeled Mass (High-Inertia) 650 lbs (295 Kg) (approx.)
Maximum Horsepower 750 hp
Maximum Speed 200 mph
Maximum Torque 750 ft/lbs
Temperature Range 32 o F to 158 o (0 o C to 70 o C)
Calibration Not Required (Factory Calibrated)
Inductive Pickup Primary Wire RPM Pickup
Power Requirement 240v 30amp single phase circuit
Remote Switches Remote Software Control
Timing Accuracy +/-1 microsecond
Drum Speed Accuracy +/- 1/100th MPH
RPM Accuracy +/- 1/10th RPM
3.3 Prosedur Penggunaan Alat Uji
3.3.1 Prosedur pengukuran konsumsi energi listrik
Pengukuran konsumsi energi listrik dilakukan menggunakan
Wattmeter.Wattmeter adalah alat ukur yang mampu mengukur energi listrik yang
melewati alat ini. Hasilnya dinyatakan dalam satuan Watt.hour. Tahapan
penggunaan alat ujinya adalah sebagai berikut:
1. Hubungkan socket positif dan negatif yang dari sumber tegangan alat
elektrolisis ke socket wattmeter yang bertanda source (input energi listrik)
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
35
Universitas Indonesia
2. Hubungkan socket positif dan negatif yang menuju ke alat elektrolisis ke
socket wattmeter yang bertanda load (output energi listrik)
3. Nyalakan kontak alat elektrolisis
4. Lakukan pengujian tes jalan sepeda motor
5. Ukur waktu dan jarak yang ditempuh
6. Amati konsumsi energi listrik pada tampilan wattmeter
3.3.2 Prosedur pengujian konsumsi bensin
Pengujian konsumsi bensin dilakukan menggunakan gelas ukur dengan tempat
penampungan bensin eksternal. Material tangki bensin harus transparan untuk
mempermudah melakukan pengukuran. Pengujian dilakukan dengan tes jalan
dengan kecepatan yang idealnya konstan 30 km per jam pada gigi dua. Jarak yang
di tempuh sekitar 3,1 km. Berikut ini adalah prosedur pengujiannya.
1. Tandai garis ketinggian bensin sebelum jalan
2. lihat perubahan ketinggian setelah 1lap.
3. Tambahkan bensin ke tabung hingga mencapai ke ketinggian awal
4. Catat volume bensin yang ditambahkan
3.3.3 Prosedur penggunaan gas analyzer
Tahapan penggunaan alat uji gas analyzer tipe techno test 488 plus adalah
sebagai berikut:
1. Menekan tombol on pada bagian belakang alat uji yang kemudian akan
muncul angka 01 pada layar RPM
2. Tunggu beberapa saat untuk alat uji melakukan warming up sebelum
pengujian.
3. Setalah mesin telah selesai melakukan warming up dan muncul angka
21 pada layar yang merupakan autozero setting,
4. Setelah proses autozero setting selesai, semua layar pada alat uji akan
menyala. Jika semua layar telah menyala maka inilah tanda alat uji siap
digunakan
5. Masukan probe gas analyzer pada lubang exhaust motor
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
36
Universitas Indonesia
6. Pasang clamp pada selang busi untuk mengetahui RPM pada mesin
7. Baca hasil pengukuran yang tertera pada layar.
3.3.4. Prosedur pengukuran dengan dynotest
Pada pengujian performa mesin ini menggunakan alat dynojet untuk bisa
melihat performa mesin pada berbagai tingkat kecepatan. Pada pengujian ini juga
didapat data konsumsi bahan bakar berdasarkan tingkat kecepatan tersebut.
Tahapan pengujian adalah sebagai berikut:
1. Menaikan sepeda motor ke atas alat uji
2. Mengunci roda depan pada alat uji dan roda belakang tepat berada
diatas roller
3. Mengikat bagian belakang
4. Mengecek tekanan ban belakang
5. Beban pengendara di setting seberat 60 Kg
6. Kondisi transmisi motor yang digunakan saat dilakukan pengujian
adalah gear 3st.
7. Sepeda motor siap untuk dilakukan pengujian.
3.4 Prosedur Pengambilan Data
Pengujian secara keseluruhan terbagi menjadi dua bagian, yaitu pengujian
kinerja sel elektrolisis dan pengujian kinerja pada motor bakar. Pengujian kinerja
sel elektrolisis adalah untuk mengetahui hubungan antara nilai PWM, dengan arus
yang masuk ke alat elektrolisis dan debit gas yang dihasilkan. Prosedur
melakukan pengujian kinerja penerapan pada motor bakar adalah sebagai berikut:
1. Pengujian mesin motor standar. Data yang diambil adalah daya dan torsi,
emisi dan nilai konsumsi bahan bakar
2. Pengujian mesin motor yang telah dimasukkan gas hidrogen dengan listrik
yang bersumber dari kabel lampu depan. Listrik lampu depan berasal dari
alternator, sehingga semakin besar rpm mesin, maka semakin besar listrik
yang mengalir. Data yang diambil adalah daya dan torsi, emisi , nilai
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
37
Universitas Indonesia
konsumsi bahan bakar, suhu reaktor dan energi listrik yang digunakan untuk
mengelektrolisis.
3. Pengujian mesin motor yang telah dimasukkan gas hidrogen dengan listrik
yang bersumber dari aki setelah menggunakan modul kontroler Data yang
diambil adalah daya dan torsi, emisi , nilai konsumsi bahan bakar, suhu
reaktor dan energi listrik yang digunakan untuk mengelektrolisis
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
38 Universitas Indonesia
BAB IV DESAIN SISTEM KONTROL ELEKTROLISIS
4.1 Deskripsi Kebutuhan Sistem Kontrol
Sel elektrolisis adalah suatu sistem yang fungsinya untuk memecah air
menjadi gas hidrogen dan oksigen. Untuk melakukan proses pemecahan tersebut
dibutuhkan energi listrik sebesar 0,83 volt untuk 1 mol H2O secara teoritis
(tercantum pada landasan teori). Umumnya sel elektrolisis yang berada di pasaran
menggunakan catu daya dari kabel lampu depan untuk digunakan pada
elektrolisis. (Sumber: teknologi.kompasiana.com/otomotif/2010/10/30/alat-
penghemat-bbm-hho-gas-generator, Win Wan Nur) . Hal ini dilakukan untuk
menghindari ‘tekor’ nya aki serta karena tegangan dan arus listrik pada kabel
lampu depan akan meningkat dengan meningkatnya rpm mesin (kebutuhan gas
elektrolisis juga cenderung meningkat). Namun jarang ada pihak yang meriset
mengenai besar arus listrik yang masuk ke sel elektrolisis untuk mengatur debit
produksi sel elektrolisis. Akan lebih baik jika listrik untuk elektrolisis berasal dari
aki, tetapi melalui proses pengontrolan terlebih dahulu, dan sistem akan
mematikan produksi elektrolsisis jika kondisi aki berada di batas bawah tegangan
operasi.
Untuk diterapkan pada motor bakar, memasukkan gas elektrolisis pada
rpm bawah (di bawah 1750) sebaiknya dihindari. Hal ini dikarenakan kecepatan
buka tutup katup masuk ruang bakar yang lambat, sehingga gas elektrolisis yang
masuk terlalu banyak dan dapat mengganggu proses pembakaran yang terjadi.
(Sumber: Ali Can Yilmaz. Effect of Gas Hidroxy (HHO) Gas Adition on
Performance and Exhaust Emissions in Compression Ignition Engine). Oleh
karena itu, sebaiknya dilakukan pengontrolan laju produksi hidrogen pada rpm
bawah sehingga gas elektrolisis yang masuk ke ruang bakar tidak mengganggu
pembakaran.
Mengamati berbagai kondisi penerapan gas hasil elektrolisis tersebut,
dibutuhkan suatu modul kontrol sel elektrolisis yang dapat me-mapping laju
produksi gas elektrolisis berdasarkan perubahan kecepatan putaran mesin. Sumber
listrik mengambil dari keluaran aki. Sistem akan mematikan sel elektrolisis jika
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
39
Universitas Indonesia
tegangan aki berada di bawah tegangan operasinya, yaitu 12,4 volt (Sumber: Buku
Pedoman Servis Supra X125). Diharapkan dengan adanya desain sistem kontrol
ini dapat meningkatkan efisiensi kinerja sel elektrolisis dan kinerja motor bakar.
4.2 Desain Sel Elektrolisis
Sel elektrolisis yang digunakan pada penelitian ini menerapkan jenis dry
cell. Ada dua jenis sel elektrolisis berdasarkan lokasi tabung air nya, yaitu wet cell
dan dry cell. Pada wet cell, tabung reservoir air menyatu dengan sel elektrolisis.
Plat-plat sel elektrolisis berada dalam kondisi terendam dalam larutan air sesuai
kapasitas cadangan air yang diinginkan. Oleh karena itu, biasanya sel elektrolisis
pada wet cell memiliki ukuran yang lebih besar karena menampung volume air
yang akan digunakan untuk elektrolisis. Pada dry cell, tabung reservoir berada
pada wadah yang terpisah dengan sel elektrolisis. Sel elektrolisis tipe dry cell
biasanya berukuran kecil karena jajaran volume jajaran plat memang hanya
dimaksudkan untuk berlangsungnya proses elektrolisis (bukan untuk menampung
cadangan air).
Gambar 4.1 Perbedaan wet cell dan dry cell
Sumber: artechbdg.wordpress.com
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
40
Universitas Indonesia
Karena cadangan air hanya tertampung pada sel (tidak adanya sirkulasi),
maka suhu sel elektrolisis pada wet cell cenderung lebih tinggi dibanding pada dry
cell, karena panas yang terakumulasi. Dengan temperatur yang tidak stabil, kuat
arus pun menjadi tidak stabil dan cenderung terus meningkat dan hal ini
mempengaruhi efisiensi sel elektrolisis. Pada dry cell, suhu lebih stabil karena
adanya sirkulasi air dari sel ke tabung reservoir, sehingga arusnya lebih stabil.
Gambar 4.2 sel elektrolisis tipe wet cell
Gas hasil elektrolisis dimasukkan ke mesin motor melalui pipa tambahan
pada intake manifold. Pipa tambahan terbuat dari material aluminium yang dilas
ke intake manifold dan posisi pemasangannya dibuat tegak lurus terhadap arah
aliran fluida dari karburator menuju mesin. Untuk menghasilkan efek pembakaran
yang lebih baik, aliran gas hasil elektrolisis harus mampu tercampur dengan baik
dengan bensin dan udara yang mengalir dari karburator. Untuk mendesain efek
percampuran tersebut, diperlukan simulasi fluida yang dapat menghasilkan
campuran yang lebih homogen.
Gambar 4.3 intake manifold
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
41
Universitas Indonesia
Dimensi sel elektrolisis disesuaikan dengan jenis kendaraan dan
penempatan pada kendaraan. Pada penelitian ini, kendaraan yang digunakan
adalah sepeda motor Honda Supra X125. Penempatan sel elektrolisis dipilih
berdasarkan segi estetis lokasi dan aliran udara yang baik (untuk pelepasan panas
dari sel), maka dipilih penempatannya pada arm belakang motor di dekat poros
roda belakang. Dimensinya sel elektrolisis adalah 80mmx120mmx40mm. Sel
terdiri dari 2 plat stack, 5 plat stainless steel dan lapisan seal. Material untuk
lapisan seal antar plat terbuat dari karet. Untuk sel, plat stainless steel yang
digunakan berdimensi 80mmx120mm dengan ketebalan 1mm. Stainless steel
yang digunakan adalah tipe SS-304L. Stainless steel dipilih untuk mampu
menahan larutan air + KOH yang bersifat korosif terhadap logam dan stainless
steel memiliki corrosion ressistance yang baik.
Gambar 4.4 desain sel elektrolisis
Gambar 4.5 susunan plat sel elektrolisis
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
42
Universitas Indonesia
Gambar 4.6 penempatan sel elektrolisis
Gambar 4.7 penempatan tabung cadangan air
Tipe sel elektrolisis dry cell menggunakan tabung terpisah sebagai
cadangan air yang akan di elektrolisa. Tempat cadangan air ditempatkan di dalam
bagasi motor. Dari dalam tabung, air turun menuju sel elektrolisis. Lalu gas hasil
elektrolisis mengalir kembali ke dalam tabung untuk ditampung dan disalurkan ke
intake manifold. Pada penelitian ini digunakan dua variasi sumber kelistrikan
elektrolisis, yaitu pertama dari kabel lampu depan dan kedua dari aki motor
(melalui kunci kontak) dengan menerapkan modul kontrol. Berikut ini adalah
skema kerja sel elektrolisis.
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
43
Universitas Indonesia
Gambar 4.8 skema kerja sel elektrolisis
4.3 Perancangan Sistem Kontrol
Modul kontrol sel elektrolisis bertugas untuk menghasilkan output
berdasarkan input yang terjadi dan program yang dimasukkan ke dalam mikon.
Mikrokontroler utama yang digunakan sebagai prosesor pada modul kontrol ini
adalah ATMEGA16. Komponen masukan terdiri dari sensor tegangan, sensor
kecepatan putaran mesin dan sensor suhu yang membaca suhu sel elektrolisis.
Tabung air
Mesin Motor
Sel Elektrolisis
Modul kontrol Sumber listrik
Air masuk ke Sel Elektrolisis
+ -
-
+
Gas Elektrolisis masuk ke tabung
Gas Elektrolisis masuk ke mesin melalui intake manifold
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
44
Universitas Indonesia
Komponen keluaran terdiri dari LCD (untuk menampilkan hasil pembacaan),
relay dan driver PWM. Berikut ini adalah diagram alir kerja modul kontrol sel
elektrolisis.
Gambar 4.9 diagram alir sistem kontrol elektrolisis
Untuk menghasilkan proses elektrolisis yang efisien, tegangan antar plat
elektrolisis dianjurkan memiliki tegangan maksimum 1,25Volt (Sumber: A
Practical Guide to Free Energy). Jika melebihi tegangan itu, maka persentase
energi listrik yang diubah menjadi panas akan semakin besar sehingga efisiensi
elektrolisis menjadi berkurang. Sel elektrolisis yang digunakan pada penelitian ini
terdiri dari 7 plat yang disusun seri, yang berarti tegangan total yang baik untuk
diberikan pada sel elektrolisis adalah sebesar 1,25Vx7, yaitu sebesar 8,75V atau
Mulai
Tampilkan LCD -‐tegangan aki -‐rpm mesin -‐suhu sel
Volt<12,4V Relay memutus arus elektrolisis
RPM<1750 PWM=0%
Driver PWM memberi PWM sesuai program
Selesai
Ya
Ya
tidak
tidak
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
45
Universitas Indonesia
jika dikonversi menjadi persentase PWM adalah sebesar 73% (dapat diamati pada
tabel 5.1). Tegangan ini digunakan sebagai acuan pemrograman tegangan
maksimum yang diberikan pada sel elektrolisis. Penyusunan grafik persentase
PWM dilakukan dengan memberikan tegangan PWM 0% pada rpm di bawah
1750 dan semakin meningkat seiring dengan meningkatnya rpm mesin setiap
kenaikan 1000rpm hingga puncaknya berada pada tegangan PWM 8,75V atau
PWM 73% dengan frekuensi PWM 2,73Hz. Berikut ini adalah grafik persentase
PWM berdasarkan perubahan PWM yang dimasukkan dalam pemrograman
mikrokontroler.
Gambar 4.10 grafik PWM vs rpm mesin
4.4 Mikrokontroller ATMEGA16
AVR merupakan seri mikrokontroler CMOS 8-bit buatan Atmel, berbasis
arsitektur RISC (Reduced Instruction Set Computer). Hampir semua instruksi
dieksekusi dalam satu siklus clock. AVR mempunyai 32 register general-purpose,
0 0 0 0 0
40 40
50 50
60 60 60 60
70 70 70 70 73 73
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
Persen
tase PWM
RPM Mesin
Grafik PWM
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
46
Universitas Indonesia
timer/counter fleksibel dengan mode compare, interrupt internal dan eksternal,
serial UART, programmable Watchdog Timer, dan mode power saving, ADC dan
PWM internal. AVR juga mempunyai In-System Programmable Flash on-chip
yang mengijinkan memori program untuk diprogram ulang dalam sistem
menggunakan hubungan serial SPI ATMega16.
ATMega16 mempunyai throughput mendekati 1 MIPS per MHz membuat
desainer sistem untuk mengoptimasi konsumsi daya versus kecepatan proses.
Beberapa keistimewaan dari AVR ATMega16 antara lain:
1. Advanced RISC Architecture
• 130 Powerful Instructions – Most Single Clock Cycle Execution
• 32 x 8 General Purpose Fully Static Operation
• Up to 16 MIPS Throughput at 16 MHz
• On-chip 2-cycle Multiplier
2. Nonvolatile Program and Data Memories
• 8K Bytes of In-System Self-Programmable Flash
• Optional Boot Code Section with Independent Lock Bits
• 512 Bytes EEPROM
• 512 Bytes Internal SRAM
• Programming Lock for Software Security
3. Peripheral Features
• Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and Compare
Mode
• Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and Compare
Modes.
• One 16-bit Timer/Counter with Separate Prescaler, Compare
Mode, and Capture Mode
• Real Time Counter with Separate Oscillator
• Four PWM Channels
• 8-channel, 10-bit ADC
• Byte-oriented Two-wire Serial Interface
• Programmable Serial USART
4. Special Microcontroller Features
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
47
Universitas Indonesia
• Power-on Reset and Programmable Brown-out Detection
• Internal Calibrated RC Oscillator
• External and Internal Interrupt Sources
• Six Sleep Modes: Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-
down, Standby and Extended Standby
5. I/O and Package
• Programmable I/O Lines
• 40-pin PDIP, 44-lead TQFP, 44-lead PLCC, and 44-pad MLF
6. Operating Voltages
• 2.7 - 5.5V for Atmega16L
• 4.5 - 5.5V for Atmega16
Gambar 4.11 Konfigurasi pin ATMega16
Sumber: Manual ATMega16
Pin-pin pada ATMega16 dengan kemasan 40-pin DIP (dual in-line
package) ditunjukkan oleh gambar 1. Guna memaksimalkan performa, AVR
menggunakan arsitektur Harvard (dengan memori dan bus terpisah untuk program
dan data).
Terlihat pada gambar diatas, terdapat 4 buah port, yaitu PORTA, PORTB,
PORTC dan PORTD yg semuanya dapat diprogram sebagai input ataupun output.
Keempat port tersebut merupakan jalur bi-directional dengan pilihan internal pull-
up.
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
48
Universitas Indonesia
Tiap port mempunyai tiga buah register bit, yaitu DDxn, PORTxn, dan
PINxn. Huruf ‘x’ mewakili nama huruf dari port sedangkan huruf ‘n’ mewakili
nomor bit. Bit DDxn terdapat pada I/O address DDRx, bit PORTxn terdapat pada
I/O address PORTx, dan bit PINxn terdapat pada I/O address PINx. Bit DDxn
dalam regiter DDRx (Data Direction Register) menentukan arah pin. Bila DDxn
diset 1 maka Px berfungsi sebagai pin output. Bila DDxn diset 0 maka Px
berfungsi sebagai pin input. Bila PORTxn diset 1 pada saat pin terkonfigurasi
sebagai pin input, maka resistor pull-up akan diaktifkan. Untuk mematikan
resistor pull-up, PORTxn harus diset 0 atau pin dikonfigurasi sebagai pin output.
Pin port adalah tri-state setelah kondisi reset. Bila PORTxn diset 1 pada saat pin
terkonfigurasi sebagai pin output maka pin port akan berlogika 1. Dan bila
PORTxn diset 0 pada saat pin terkonfigurasi sebagai pin output maka pin port
akan berlogika 0.
Pin I/O pada mikrokontroler AVR dapat dikonfigurasi sebagai input atau
output dengan cara mengubah isi I/O register Data Direction Register. Misalnya
jika ingin Port B dikonfigurasikan sebagai out maka DDRB harus diset sebagai
0xFFH (sama dengan 255). Jika sebagai input maka diset 0x00H (sama dengan 0).
Contoh :
• DDRB = 255 // Port B dikonfigurasikan sebagai output
• DDRD = 0x00 // Port d dikonfigurasikan sebagai input.
Untuk mendeteksi input pada salah satu port, dapat digunakan fungsi PINx,
sedangkan untuk mendeteksi per pin pada suatu port dapat digunakan fungsi
Pinx.bit.
Berikut ini adalah penjelasan mengenai pin-pin yang terdapat pada ATMEGA16.
• VCC = Voltage Power Supply
• GND = Ground
• PORT A (A0-A7) = Berfungsi sebagai I/O dan juga berfungsi sebagai A/D
Converter
• PORT B (B0-B7) = Berfungsi sebagai I/O
• PORT C (C0-C7) = Berfungsi sebagai I/O
• PORT D (D0-D7) = Berfungsi sebagai I/O
• RESET = Untuk men-reset Input
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
49
Universitas Indonesia
• XTAL1 = Sebagai masukan dalam proses Oscillator amplifier
• XTAL2 = Sebagai keluaran dalam proses Oscillator amplifier
• AVCC = Supply voltage untuk PORT A dan A/D Converter
• AREF = Referensi pin analog pada A/D Converter
Untuk dapat beroperasi, ATMEGA16 tak dapat berdiri sendiri, melainkan
membutuhkan dukungan komponen elektronik pada bagian input dan output
mikon. ATMEGA16 memerlukan catu daya sekitar 5 volt yang masuk ke kaki vcc
pada microcontroller. Oleh karena itu digunakan IC lm7805 yang berfungsi untuk
mengubah tegangan masukan (sebesar 9 atau 12 volt) menjadi tegangan yang
dapat mengoperasikan mikrokontroller, yaitu 5 volt. ATMEGA16 juga
membutuhkan dukungan ISP untuk mendownload codingan ke dalam
microcontroller. Berikut ini adalah skema rangkaian ATMEGA16 yang
digunakan.
(Sumber: Pemrograman Mikrokontroler AVR ATMEGA16 Menggunakan Bahasa
C [Codevision AVR], Heri Andrianto)
Gambar 4.12 skema rangkaian sistem microcontroller ATMEGA16 yang digunakan
Sumber: User manual modul AVR DINS
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
50
Universitas Indonesia
4.5 Komponen Masukan Sistem Kontrol
4.5.1 Sensor Tegangan Listrik
Pembacaan tegangan pada aki dapat dilakukan dengan menggunakan nilai
ADC dari port microcontroller. Tegangan aki motor berada pada kisaran 12 volt,
namun aktualnya tegangan aki berada di atas nilai tegangan 12 volt (aki penuh
pada tegangan 13,8volt dan perlu dilakukan pengisian jika tegangannya sudah
mencapai 12,4 volt). Nilai tegangan dari aki diperkecil dengan menggunakan
potensiometer 50k untuk dapat dibaca pada mikon yaitu menjadi tegangannya
dibawah 5volt (pada percobaan ini dibuat menjadi 3,5volt).
Gambar 4.13 rangkaian voltage divider menggunakan potensiometer
Sumber: id.wikipedia.org
Nilai tegangan yang telah diperkecil diukur menggunakan multitester dan
tegangan tersebut dimasukkan ke port ADC. Dari dua data tersebut dapat
diketahui hubungan antara nilai tegangan yang telah diperkecil dengan nilai ADC.
Nilai ADC deisetting untuk menampilkan nilai dalam besaran 8 bit (255). Maka
nilai tegangan yang terbaca dapat dihitung sebagai berikut.
!"#$%#$% !"#$%&% = !"#$" !"# !"#$%&%!"#$" !"# !"!#
! !"#$%#$% !"!# (4.1)
Nilai tegangan aki yang terbaca kemudian ditampilkan pada LCD. Aki
berada pada kondisi yang memerlukan pengisian pada tegangan 12,4 volt. Oleh
karena itu, jika nilai tegangan yang terbaca menunjukkan tegangan 12,4 volt,
maka port C akan memberikan sinyal ke relay dan relay akan memutus arus yang
mengalir ke sel elektrolisis.
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
51
Universitas Indonesia
4.5.2 Kecepatan Putaran Mesin
Penghitungan kecepatan putaran mesin dilakukan menggunakan fasilitas
timer interrupt pada mikrokontroller. Frekuensi yang dihitung mengambil dari
sinyal pulsa dari pulser. Pulser merupakan sensor magnet yang mengandalkan
prinsip Hall effect yang memberikan sinyal listrik ketika flywheel telah
mengalami 1 putaran. Tegangan output pulser masih terlalu rendah untuk dapat
dibaca mikon. Jika dilanjutkan, maka akan menghasilkan pembacaan yang tidak
stabil. Oleh karena itu, tegangan keluaran pulser dimodifikasi dengan
menggunakan rangkaian op-amp dengan transistor sebagai komponen utamanya.
Tegangan pulsa masuk ke port interrupt 0 pada mikon (Port D2). Jumlah
pulsa per menit dihitung dengan menggunakan fungsi timer yang menghitung
jumlah pulsa yang dibaca mikon per detiknya, lalu ditampilkan ke LCD dalam
satuan rpm setelah dikalikan 60.
Gambar 4.14 skema rangkaian pengkondisian sinyal
Sumber: manual modul rotary encoder DINS
4.5.3 Suhu Sel Elektrolisis
Pengukuran suhu sel elektrolisis dilakukan dengan menggunakan sensor
suhu LM35. Sensor dipasang pada dinding luar sel elektrolisis dan diisolasi dari
lingkungan dengan menggunakan aluminium foil. Hasil bacaan sensor
Pulser
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
52
Universitas Indonesia
ditampilkan pada LCD. Berikut ini adalah gambar rangkaian sensor suhu yang
digunakan dan penjelasan mengenai sensor suhu LM35.
Gambar 4.15 skema rangkaian sensor suhu LM35
Sensor suhu LM35 adalah komponen elektronika yang memiliki fungsi
untuk mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan.
Sensor Suhu LM35 yang dipakai dalam penelitian ini berupa komponen
elektronika elektronika yang diproduksi oleh National Semiconductor. LM35
memiliki keakuratan tinggi dan kemudahan perancangan jika dibandingkan
dengan sensor suhu yang lain, LM35 juga mempunyai keluaran impedansi yang
rendah dan linieritas yang tinggi sehingga dapat dengan mudah dihubungkan
dengan rangkaian kendali khusus serta tidak memerlukan penyetelan lanjutan.
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
53
Universitas Indonesia
Gambar 4.16 sensor LM35
Sumber: manual sensor LM35
1. Memiliki sensitivitas suhu, dengan faktor skala linier antara tegangan dan suhu
10 mVolt/ºC, sehingga dapat dikalibrasi langsung dalam celcius.
2. Memiliki ketepatan atau akurasi kalibrasi yaitu 0,5ºC pada suhu 25 ºC seperti
terlihat pada gambar 2.2.
3. Memiliki jangkauan maksimal operasi suhu antara -55 ºC sampai +150 ºC.
4. Bekerja pada tegangan 4 sampai 30 volt.
5. Memiliki arus rendah yaitu kurang dari 60 µA.
6. Memiliki pemanasan sendiri yang rendah (low-heating) yaitu kurang dari 0,1
ºC pada udara diam.
7. Memiliki impedansi keluaran yang rendah yaitu 0,1 W untuk beban 1 mA.
8. Memiliki ketidaklinieran hanya sekitar ± ¼ ºC.
Sensor LM35 bekerja dengan mengubah besaran suhu menjadi besaran
tegangan. Tegangan ideal yang keluar dari LM35 mempunyai perbandingan
100°C setara dengan 1 volt. Sensor ini mempunyai pemanasan diri (self heating)
kurang dari 0,1°C, dapat dioperasikan dengan menggunakan power supply
tunggal dan dapat dihubungkan antar muka (interface) rangkaian control yang
sangat mudah.
IC LM 35 sebagai sensor suhu yang teliti dan terkemas dalam bentuk
Integrated Circuit (IC), dimana output tegangan keluaran sangat linear terhadap
perubahan suhu. Sensor ini berfungsi sebagai pegubah dari besaran fisis suhu ke
besaran tegangan yang memiliki koefisien sebesar 10 mV /°C yang berarti bahwa
kenaikan suhu 1° C maka akan terjadi kenaikan tegangan sebesar 10 mV.
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
54
Universitas Indonesia
Gambar 4.17 Rangkaian Sensor LM35
Sumber: manual sensor LM35
.Secara prinsip sensor akan melakukan penginderaan pada saat perubahan
suhu setiap suhu 1 ºC akan menunjukan tegangan sebesar 10 mV. Pada
penempatannya LM35 dapat ditempelkan dengan perekat atau dapat pula disemen
pada permukaan akan tetapi suhunya akan sedikit berkurang sekitar 0,01 ºC
karena terserap pada suhu permukaan tersebut. Dengan cara seperti ini diharapkan
selisih antara suhu udara dan suhu permukaan dapat dideteksi oleh sensor LM35
sama dengan suhu disekitarnya, jika suhu udara disekitarnya jauh lebih tinggi atau
jauh lebih rendah dari suhu permukaan, maka LM35 berada pada suhu permukaan
dan suhu udara disekitarnya .
4.6 Komponen Keluaran Sistem Kontrol
4.6.1 Liquid Crystal Digital (LCD)
Banyak sekali kegunaan LCD dalam perancangan suatu system yang
menggunakan mikrokontroler. LCD berfungsi menampilkan suatu nilai hasil
sensor,menampilkan teks,atau menampilkan menu pada aplikasi mikrokontroler.
LCD yang digunakan adalah jenis LCD M1632. LCD M1632 merupakan modul
LCD dengan tampilan 16 x 2 baris dengan konsumsi daya rendah. Modul tersebut
dilengkapi dengan mikrokontroler yang didesain khusus untuk mengendalikan
LCD. Berikut ini adalah konfigurasi pin dari LCD.
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
55
Universitas Indonesia
Gambar 4.18 konfigurasi pin LCD
Sumber: elektro-kontrol.blogspot.com
Tabel 4.1 konfigurasi pin LCD
Sumber: elektro-kontrol.com
Pada modul kontrol elektrolisis ini, LCD digunakan untuk menampilkan
kecepatan putaran mesin (rpm), tegangan aki, dan suhu sel elektrolisis. Dalam
proses pemantauan dan pengambilan data, tampilan lcd direkam sehingga data-
data yang ditampilkan lcd dapat ditabulasi dan diolah.
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
56
Universitas Indonesia
4.6.2 Relay
Relay adalah sebuah saklar elekronis yang dapat dikendalikan dari
rangkaian elektronik lainnya. Arus listrik yang mengalir pada kumparan relay
akan menciptakan medan magnet yang kemudian akan menarik lengan relay dan
mengubah posisi saklar, yang sebelumnya terbuka menjadi terhubung.
Relay memiliki tiga kutub, yaitu COMMON : kutub acuan yang terhubung
dengan sumber arus, NC (Normally Closed) : saklar dari relay yang dalam
keadaan normal (relay tidak diberi tegangan) terhubung dengan common, NO
(Normally Open) : saklar dari relay yang dalam keadaan normal (relay tidak diberi
tegangan) tidak terhubung dengan common.
Pole adalah jumlah common sedangkan throw adalah jumlah terminal
output (NO dan NC). Berdasarkan jumlah kutub pada relay, maka relay dibedakan
menjadi 4 jenis, yaitu:
• SPST = Single Pole Single Throw
• SPDT = Single Pole Double Throw
• DPST = Double Pole Single Throw
• DPDT = Double Pole Double Throw
Pada modul kontrol sel elektrolisis, relay digunakan untuk memutus arus
listrik yang mengalir ke sel elektrolisis saat sensor tegangan pada aki membaca
nilai tegangan berada di bawah 12,4V (nilai tegangan dimana aki memerlukan
pengisian). Ketika mikon membaca tegangan yang diperoleh dari nilai ADC aki
berada di bawah 12,4V, mikon akan memberi nilai 1 ke port yang terhubung ke
relay. Output relay dihubungkan ke kutub NC, sehingga begitu relay diberi nilai 1
maka arus listrik dari common ke keluaran relay akan terputus. (Sumber: manual
modul relay DINS)
4.6.3 Driver PWM
Untuk driver PWM, menggunakan IC motor driver A3995 yang biasa
digunakan sebagai modul pengendali motor DC yang ringkas dan handal serta
cocok untuk aplikasi robotik. Modul ini dapat digunakan untuk mengendalikan
arah dan kecepatan putaran 2 buah motor DC menggunakan metode Pulse Width
Modulation (PWM). Modul ini sudah dilengkapi dengan dual full H-bridge driver
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
57
Universitas Indonesia
serta antarmuka UART level TTL dan I2C sehingga dapat dengan mudah
dihubungkan dengan sistem lain. Berikut ini adalah spesifikasi driver yang
digunakan.
• Sumber catu daya modul menggunakan tegangan 4,8 – 5,4 Volt.
• Sumber catu daya motor menggunakan tegangan 8 – 36 Volt.
• Menggunakan IC motor driver A3995
• Modul kontrol terhubung dengan mikon ATTINY2313
• Kemampuan Arus Kontinu tiap driver 2,4 A.
• Pilihan frekuensi PWM yang tersedia 21,68 kHz, 2,71 kHz (default), 338,8
Hz, dan 84,7 Hz.
• Dilengkapi dengan antarmuka UART TTL dan I2C.
Gambar 4.19 skema rangkaian driver dengan mikrokontroller
Sumber: innovativeelectronics.com
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
58 Universitas Indonesia
BAB V HASIL PENGOLAHAN DATA DAN ANALISIS
Pengujian sistem kontrol elektrolisis ini bertujuan untuk mengetahui
pengaruh yang ditimbulkan oleh digunakannya modul kontrol PWM pada sel
elektrolisis. Pengujian secara keseluruhan terbagi menjadi dua bagian, yaitu
pengujian kinerja sel elektrolisis dan pengujian kinerja pada motor bakar.
Pengujian kinerja sel elektrolisis adalah untuk mengetahui hubungan antara nilai
PWM, dengan arus yang masuk ke alat elektrolisis dan debit gas yang dihasilkan.
Prosedur melakukan pengujian kinerja penerapan pada motor bakar adalah
sebagai berikut:
1. Pengujian mesin motor standar. Data yang diambil adalah daya dan torsi,
emisi dan nilai konsumsi bahan bakar
2. Pengujian mesin motor yang telah dimasukkan gas hidrogen dengan listrik
yang bersumber dari kabel lampu depan. Listrik lampu depan berasal dari
alternator, sehingga semakin besar rpm mesin, maka semakin besar listrik
yang mengalir. Data yang diambil adalah daya dan torsi, emisi , nilai
konsumsi bahan bakar, suhu reaktor dan energi listrik yang digunakan
untuk mengelektrolisis.
3. Pengujian mesin motor yang telah dimasukkan gas hidrogen dengan listrik
yang bersumber dari aki setelah menggunakan modul kontroler Data yang
diambil adalah daya dan torsi, emisi , nilai konsumsi bahan bakar, suhu
reaktor dan energi listrik yang digunakan untuk mengelektrolisis
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
59
Universitas Indonesia
5.1 Data Debit Gas Hasil Elektrolisis
Tabel 5.1 Tabel Debit Gas Hasil Elektrolisis
No Persen PWM (%)
Nilai PWM (8bit)
Tegangan sinyal PWM ( V)
Arus (A)
Flowrate (cc/menit)
1 0 0 0 0 0 2 10 2550 1,2 0,22 0 3 20 5100 2,4 0,48 20 4 30 7650 3,6 0,6 40 5 40 10200 4,8 0,83 60 6 50 12750 6 0,9 100 7 60 15300 7,2 1,02 120 8 70 17850 8,4 1,14 120 9 80 20400 9,6 1,21 140
10 90 22950 10,8 1,35 140 11 100 25500 12 1,4 160
5.2 Data Daya dan Torsi
5.2.1 Daya dan Torsi Motor Standar
Gambar 5.1 Daya dan Torsi Motor Standar
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
60
Universitas Indonesia
5.2.2 Data Daya dan Torsi Motor dengan Hidrogen tanpa Sistem Kontrol
Gambar 5.2 Daya dan Torsi Motor dengan Hidrogen tanpa Sistem Kontrol
5.2.3 Data Daya dan Torsi Motor dengan Hidrogen dengan Sistem Kontrol
Gambar 5.3 Daya dan Torsi Motor dengan Hidrogen dengan Sistem Kontrol
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
61
Universitas Indonesia
5.3 Data Emisi Gas Buang
5.3.1 Data Emisi Motor Standar
Berikut ini adalah data hasil percobaan dengan kondisi motor standar.
Tabel 5.2 data hasil emisi gas buang pada kondisi motor standar
RPM CO (%) CO2 (%) HC (ppm) O2 (%)
2000 1,75 4,2 244 13,9 2500 2,16 4,4 189 14 3000 3,19 4,1 234 13,8 3500 3,25 4,1 223 13,6 4000 3,57 4,2 210 13,4 4500 3,61 4,4 201 13,4 5000 3,63 4,5 210 13,3
5.3.2 Data Emisi Motor dengan Hidrogen tanpa Sistem Kontrol
Berikut ini adalah data hasil percobaan dengan kondisi motor dengan
penambahan hidrogen tanpa sistem kontrol dan listrik mengambil
langsung dari kabel lampu depan.
Tabel 5.3 data hasil emisi gas buang pada kondisi motor dengan penambahan hidrogen tanpa
sistem kontrol
RPM CO (%) CO2 (%) HC (ppm) O2 (%)
2000 1,67 3,5 236 13,9 2500 1,82 3,7 242 13,8 3000 1,88 3,8 232 13,7 3500 2,03 3,8 218 13,5 4000 2,31 3,9 203 13,4 4500 2,4 4 201 13,4 5000 2,69 4,1 205 13,3
5.3.3 Data Emisi Motor dengan Hidrogen menerapkan Sistem Kontrol
Berikut ini adalah data hasil percobaan dengan kondisi motor dengan
penambahan hidrogen dengan menerapkan modul sistem kontrol PWM.
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
62
Universitas Indonesia
Tabel 5.4 Data hasil emisi gas buang pada kondisi motor dengan penambahan hidrogen dengan kontrol PWM
RPM CO (%) CO2 (%) HC (ppm) O2 (%)
2000 1,73 3,4 229 13,6 2500 1,82 3,5 211 13,4 3000 1,89 3,5 199 13,4 3500 1,97 3,8 179 13,2 4000 2,09 3,8 185 13,3 4500 2,22 3,9 194 13,1 5000 2,4 4,1 180 13,1
5.4 Data Tes Jalan
Berikut ini adalah data hasil percobaan tes jalan dengan kecepatan teoritis
konstan 30km per jam pada posisi gigi dua dengan jarak tempuh 3,1km
dan perkiraan waktu 6,2 menit.
Tabel 5.5 Data Hasil Tes Jalan pada Berbagai Kondisi Motor
No Kondisi Trial #
Bensin Listrik Suhu (oC) Volume bensin terpakai (mL)
Konsumsi bensin (km/L)
Listrik terpakai (W.h)
Konsumsi listrik (km/Wh)
Lingkungan Suhu setelah
1 Motor standar
1 76 40,79 0 0 35,5 36,7 2 73 42,47 0 0 35,4 36,4 3 75 41,33 0 0 35 37,1
2
Dengan hidrogen tanpa kontrol
1 66 46,97 1,2 2,6 35 41,8 2 68 45,59 1,4 2,2 34,8 43,2
3 67 46,27 1,3 2,4 35,1 42
3
Hidrogen dengan sistem kontrol
1 62 50,00 1,8 1,7 35,2 43,2 2 64 48,44 1,7 1,8 36 44,1
3 63 49,21 1,8 1,7 35,7 44,9
5.5 Analisis Debit Gas Hasil Elektrolisis
Pengambilan data dilakukan dengan melakukan variasi terhadap nilai
persentase PWM dan melihat pengaruhnya terhadap tegangan sinyal PWM, kuat
arus dan debit gas yang dihasilkan. Data tersebut ditampilkan dengan hubungan
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
63
Universitas Indonesia
antara debit gas dan kuat arus, serta hubungan antara debit gas dengan tegangan
sinyal PWM.
Gambar 5.4 Grafik hubungan antara flow rate gas elektrolisis dengan kuat arus
Gambar 5.5 Grafik hubungan antara flow rate gas elektrolisis dengan tegangan
Dari grafik 5.4, dapat dilihat bahwa kuat arus maksimum yang terjadi
adalah 1,4A. Arus ini dapat dikarakterisasi sebagai arus yang kecil, sehingga
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
Flow
rate (cc/men
it)
Ampere
Flowrate vs Ampere
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 2 4 6 8 10 12 14
Flow
rate (cc/men
it)
Volt
Flowrate vs Volt
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
64
Universitas Indonesia
dapat dikatakan bahwa reaktor ini memiliki nilai hambatan yang besar. Untuk
menghasilkan reaktor yang mampu memproduksi debit gas yang lebih besar, nilai
hambatan reaktor harus dibuat sekecil mungkin dengan luasan permukaan yang
sama. Caranya dapat dilakukan dengan memvariasikan bentuk reaktor, mengganti
material plat ataupun dengan mengubah komposisi katalis atau dapat juga dengan
mengganti air sebagai zat yang dielektrolisis. Pada grafik, terlihat bahwa debit gas
semakin meningkat dengan meningkatnya besar kuat arus pada pengambilan data.
Pada grafik 5.5, dapat dilihat hubungan antara besar tegangan sinyal PWM
dengan debt gas yang dihasilkan. Semakin tinggi tegangan, maka semakin tinggi
pula debit gas yang dihasilkan. Untuk menghasilkan efisiensi yang lebih tinggi,
seperti disebutkan sebelumnya bahwa sel elektrolisis harus berada pada kondisi
operasional kerja yaitu tegangan yang rendah (dibawah 1,25 Volt), dengan
Ampere yang tinggi. Cara mewujudkannya adalah dengan mendesain reaktor
dengan luas permukaan yang proporsional dan memiliki nilai hambatan yang
rendah.
5.6 Analisis Daya dan Torsi
Daya (BHP) dan torsi diperoleh dengan dynotest sepeda motor dengan
pengambilan data berdasarkan putaran mesin. Data yang dapat dibandingkan
adalah nilai maksimum dari BHP dan torsi sepeda motor. Berikut adalah data
yang bersangkutan.
Tabel 5.6 Data Hasil Dynotest pada Berbagai Kondisi Motor
No Kondisi Daya maksimum Torsi Maksimum
RPM BHP (hp) RPM Torsi (ft-‐lbs) 1 Motor standar 7200 7,47 5000 6,4 2 Dengan hidrogen tanpa kontrol 7200 7,48 5400 6,32
3 Hidrogen dengan sistem kontrol 7400 7,52 5400 6,41
Dari tabel 5.6, dapat dilihat bahwa penambahan gas hasil elektrolisa ke
dalam ruang bakar dapat meningkatkan nilai maksimum daya. Daya maksimum
yang terjadi pada rpm 7400 sebesar 7,52HP dengan kondisi motor yang diberikan
gas hidrogen dan menggunakan kontroler. Torsi maksimum yang terjadi pada rpm
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
65
Universitas Indonesia
5400 sebesar 6,41 ft-lbs dengan kondisi motor yang diberikan gas hidrogen dan
menggunakan kontroler. Hal ini dapat dikarenakan nilai cepat rambat api pada gas
hidrogen yang tinggi (dapat mencapai sekitar 300 cm/s lebih besar dibanding solar
sekitar 40 cm/s). Jika hidrogen telah bercampur dengan udara dan bensin, ketika
terjadi pengapian dari busi pada ruang bakar, hidrogen akan membantu
meningkatkan kecepatan perambatan api pada ruang bakar, sehingga pembakaran
dapat terjadi lebih sempurna.
5.7 Analisis Emisi Gas Buang
5.7.1 Analisis kandungan HC pada gas buang
Kandungan HC pada emisi gas buang mengindikasikan banyaknya
bahan bakar yang tidak terbakar pada proses pembakaran. Pembakaran
yang baik memiliki kadar HC yang rendah. Semakin rendah kadar HC,
proses pembakaran yang terjadi semakin mendekati sempurna. Berikut ini
hasil percobaan pengambilan data emisi HC.
Gambar 5.6 Grafik emisi HC
Tabel 5.7 penurunan kadar HC
0
50
100
150
200
250
300
1500 2500 3500 4500 5500
kada
r HC (ppm
)
RPM
Emisi HC
Standar
H2 tanpa Kontrol
H2 dengan Kontrol
Kadar ppm HC Rata-‐rata kadar HC (ppm)
Penurunan kadar HC (ppm)
Standar 216 0 H2 tanpa kontrol 220 -‐4 H2 dengan kontrol
197 19
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
66
Universitas Indonesia
Dari Grafik dan tabel, dapat dilihat bahwa kondisi penurunan HC
tertinggi terjadi pada kondisi mesin yang diinjeksikan hidrogen dengan
modul kontrol. Hal ini dikarenakan jumlah asupan flow rate hidrogen
yang besar. Nilai HC yang rendah mengindikasikan bahwa bahan
bakar terbakar lebih sempurna, sehingga emisi HC menurun. Nilai HC
yang besar di rpm rendah dikarenakan putaran mesin yang lebih
lambat sehingga katup intake lebih lama terbuka dan terlalu banyak
hidrogen masuk ke ruang bakar, sehingga pembakaran menjadi kurang
baik.
5.7.2 Analisis kandungan CO pada gas buang
Gas CO merupakan produk dari hasil proses pembakaran yang
tidak sempurna. Gas yang berbahaya untuk manusia Nilai kandungan
CO yang semakin tinggi menunjukkan proses pembakaran dalam
ruang bakar tidak baik. Kadar CO memiliki kecenderungan meningkat
dengan meningkatnya putaran mesin (RPM), hal ini disebabkan
putaran mesin tinggi membutuhkan pasokan bahan bakar dan udara
yang lebih banyak sehingga produk hasil pembakarannya juga
meningkat. Berikut ini grafik hasil pengukuran kandungan CO pada
emisi gas buang kendaraan
Gambar 5.7 Grafik kadar CO
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
1500 2500 3500 4500 5500
Kada
r CO (%
)
RPM
Emisi CO
Standar
H2 tanpa Kontrol
H2 dengan Kontrol
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
67
Universitas Indonesia
Tabel 5.8 penurunan kadar CO
Dari grafik dan tabel terlihat bahwa kadar CO terendah terjadi pada
kondisi mesin yang diinjeksikan hidrogen dengan kontrol. Hal ini
dikarenakan jumlah asupan debit hidrogen yang besar. Nilai CO yang
rendah mengindikasikan bahwa bahan bakar terbakar lebih sempurna,
sehingga emisi CO menurun.
5.7.3 Analisis kandungan CO2 pada gas buang
Gas CO2 merupakan produk hasil pembakaran sempurna.
Pembakaran sempurna menghasilkan gas CO2 yang tinggi. Semakin
tinggi kandungan CO2 pada emisi gas buang, semakin baik
pembakaran yang terjadi.
CxHy (g) + O2 (g) CO2 (g) + H2O (g) (5.1)
Dari reaksi pembakaran di atas menunjukkan CO2 merupakan
produk hasil pembakaran sempurna. Oleh karena itu salah 1 indikator
pembakaran yang baik yaitu memiliki kandungan CO2 yang tinggi
pada emisi gas buang.
Kadar CO Rata-‐rata kadar CO (%) Selisih kadar CO (%) Standar 3,0 0,0 H2 tanpa kontrol 2,1 0,9 H2 dengan kontrol
2,0 1,0
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
68
Universitas Indonesia
Grafik 5.8 Grafik kadar CO2
Tabel 5.9 selisih kadar CO2
Dari grafik dan tabel, kadar CO2 justru menurun pada motor yang
diinjeksikan hidrogen. Tingginya kadar CO2 mengindikasikan
pembakaran yang sempurna. Data ini bertentangan dengan data emisi
gas buang HC dan CO, yang menunjukkan kondisi mesin dengan
hidrogen yang dilengkapi modul kontrol sebagai penghasil
pembakaran yang lebih baik. Perbedaan persepsi ini dapat terjadi
karena kesalahan atau keakurasian alat gas analyzer yang mengalami
error.
5.7.4 Analisis kandungan O2 pada gas buang
Gas O2 yang dihasilkan merupakan sisa dari pereaksi proses
pembakaran yang tidak bereaksi. Pembakaran yang baik menghasikan
emisi dengan kadar O2 yang rendah karena O2 bereaksi dengan bahan
bakar.
0 0.5 1
1.5 2
2.5 3
3.5 4
4.5 5
1500 2500 3500 4500 5500
Kada
r CO2 (%
)
RPM
Emisi CO2
Standar
H2 tanpa Kontrol
H2 dengan Kontrol
Kadar CO2 Rata-‐rata kadar CO2 (%) Penurunan kadar CO2 (%) Standar 4,3 0,0 H2 tanpa kontrol 3,8 0,5 H2 dengan kontrol
3,7 0,6
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
69
Universitas Indonesia
Gambar 5.9 Grafik kadar O2
Tabel 5.10 penurunan kadar O2
Dari grafik dan tabel terlihat bahwa kadar O2 terendah terjadi pada
kondisi mesin yang diinjeksikan hidrogen dengan kontrol. Hal ini
dikarenakan jumlah asupan flow rate hidrogen yang besar. Nilai O2
yang rendah mengindikasikan bahwa bahan bakar terbakar lebih
sempurna, sehingga emisi O2 menurun. O2 yang bereaksi dengan
bahan bakar menjadi lebih banyak, sehingga sisa O2 yang keluar pada
saluran gas buang menjadi lebih sedikit.
13
13.2
13.4
13.6
13.8
14
14.2
1500 2500 3500 4500 5500
Kada
r O2 (%
)
RPM
Emisi O2
Standar
H2 tanpa Kontrol
H2 dengan Kontrol
Kadar O2 Rata-‐rata kadar O2 (%) Penurunan kadar O2 (%) Standar 13,6 0,0 H2 tanpa kontrol 13,6 0,0 H2 dengan kontrol
13,3 0,3
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
70
Universitas Indonesia
5.8 Analisis Konsumsi Bensin
Tabel 5.11 Penghematan konsumsi bensin
No Kondisi
Trial #
Bensin
Volume bensin terpakai (mL)
Konsumsi bensin (km/L)
Rataan konsumsi bensin (km/L)
Penghematan (%)
1 Motor standar 1 76 40,79
41,53 0,00 2 73 42,47 3 75 41,33
2 Dengan hidrogen tanpa kontrol
1 66 46,97 46,28 11,43 2 68 45,59
3 67 46,27
3 Hidrogen dengan sistem kontrol
1 62 50,00 49,21 18,51 2 64 48,44
3 63 49,21
Gambar 5.10 Grafik penghematan konsumsi bensin
Dari tabel di atas, dapat diketahui bahwa penghematan terbesar terjadi
pada kondisi uji motor dengan hidrogen yang dilengkapi dengan modul
sistem kontrol. Hal ini dapat disebabkan karena pada kecepatan 30km/jam,
mesin butuh suplemen gas hasil elektrolisis pada proses pembakaran.
41.53
46.28
49.21
36.00
38.00
40.00
42.00
44.00
46.00
48.00
50.00
Motor standar
Dengan hidrogen tanpa kontrol
Hidrogen dengan sistem kontrol
Konsum
si ben
sin (km/L)
Konsumsi Bensin
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
71
Universitas Indonesia
Sehingga jumlah hidrogen yang dihasilkan sel elektrolisis dapat
mendongkrak kinerja mesin. Simpangan baku yang terjadi pada data
pengukuran konsumsi bensin adalah sebesar 1,71%. Kecilnya nilai
simpangan baku menandakan bahwa sebaran data yang terjadi memiliki
simpangan yang kecil.
5.9 Analisis Konsumsi Energi Listrik
Tabel 5.12 penghematan konsumsi energi listrik
No Kondisi Trial #
Listrik Listrik terpakai (W.h)
Konsumsi listrik (km/Wh)
Rataan Konsumsi listrik (km/Wh)
Penghematan (%)
1 Motor standar 1 0 0
0 0 2 0 0 3 0 0
2 Dengan hidrogen tanpa kontrol
1 1,2 2,6 2,4 0 2 1,4 2,2
3 1,3 2,4
3 Hidrogen dengan sistem kontrol
1 1,8 1,7 1,8 -‐26,65 2 1,7 1,8
3 1,8 1,7
Gambar 5.11 Grafik penghematan konsumsi energi listrik
0.00
2.39
1.76
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
Motor standar
Dengan hidrogen tanpa kontrol
Hidrogen dengan sistem kontrol
Konsum
si listrik
(km/w
.h)
Konsumsi Listrik
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
72
Universitas Indonesia
Dari tabel di atas, dapat diketahui bahwa penghematan terbesar terjadi
pada kondisi uji motor dengan hidrogen tanpa sistem kontrol, Hal ini
dikarenakan arus listrik mengalir dari kabel lampu depan ke sel elektrolisis.
Listrik mengalir dengan tegangan dan arus yang meningkat seiring dengan
meningkatnya putaran mesin. Konsumsi listrik sel elektrolisis dengan modul
kontrol lebih boros diakibatkan karena mapping PWM nya memang
ditargetkan untuk menghasilkan debit gas hasil elektrolisa yang lebih besar.
Simpangan baku yang terjadi pada data pengukuran konsumsi energi listrik
adalah sebesar 3,68%. Kecilnya nilai simpangan baku menandakan bahwa
sebaran data yang terjadi memiliki simpangan yang kecil.
5.10 Analisis Suhu Sel Elektrolis Setelah Tes Jalan
Tabel 5.13 Suhu sel elektrolisis setelah tes jalan
No Kondisi Trial # Suhu (oC) Lingkungan Suhu setelah
1 Motor standar 1 35,5 36,7 2 35,4 36,4 3 35 37,1
2 Dengan hidrogen tanpa kontrol 1 35 41,8 2 34,8 43,2 3 35,1 42
3 Hidrogen dengan sistem kontrol 1 35,2 43,2 2 36 44,1 3 35,7 44,9
Dari tabel 5.8, dapat terlihat bahwa sel elektrolisis yang telah dilengkapi
modul kontrol menghasilkan kalor yang lebih tinggi. Hal ini dapat dikarenakan
oleh lebih besarnya laju produksi elektrolisis di dalam sel. Namun peningkatan
suhu tersebut masih dalam batas yang rendah. Penyebabnya adalah desain sel
elektrolisis dengan sistem dry cell. Dengan bentuk desain ini, panas yang
dihasilkan sel elektrolisis mengalir kembali ke reservoir cairan aquades. Sebagian
panas tersebut masuk bersama gas hidrogen ke ruang bakar, sebagian hilang saat
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
73
Universitas Indonesia
konduksi pada reservoir, dan sebagian kembali ke sel elektrolisis. Pada sel
elektrolisis dengan sistem wet cell, suhu sel elektrolisis dapat mencapai diatas 60 oC.
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
74
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN
6.1 Kesimpulan
Dari Penelitian ini dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :
1. Secara umum, penerapan sel elektrolisis berbasis Pulse Width Modulation
memperbaiki kinerja motor bakar 4 langkah dengan meningkatnya debit
gas hasil elektrolisis, dapat dilihat dari meningkatnya daya dan torsi,
menurunnya emisi polutan gas buang HC dan CO dan penghematan
konsumsi bensin dan energi listrik.
2. Dengan menerapkan modul kontrol, dapat meningkatkan maksimum BHP
hingga 0,05HP, meningkatkan maksimum torsi sebesar 0,1 ft-lbs dan
penghematan bensin sebesar 18,51% dibandingkan dengan motor standar.
6.2 Saran
1. Untuk penelitian selanjutnya, kontrol sel elektrolisis dapat dilakukan
dengan menentukan timing pemasukan hidrogen dan jumlahnya seperti
injektor bertekanan pada motor injeksi.
2. Dapat digunakan zat cair lain (selain air) sebagai zat yang dielektrolisis.
Kriteria zat cair tersebut adalah yang berdasarkan reaksinya membutuhkan
beda potensial terkecil dan dapat menghasilkan hidrogen jika
dielektrolisis.
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
75
DAFTAR REFERENSI
Andrianto, Heri. (2008). Pemrograman Mikrokontroler AVR ATMEGA16
Menggunakan Bahasa C [Codevision AVR]. Bandung: Penerbit Informatika.
Bentley, R. W. (2009). The expected dates of resource-limited maxima in the
global production of oil and gas. Springerlink science.
Duncan, Richard C dan Walter Youngquist. (1999). Encircling the Peak of World
Oil Production. Springerlink Journal.
Kelly, Patrick. (2007). A Practical Guide to Free Energy Devices.
Narutomo, Arandityo. (2011). Analisis Penggunaan Gas Hidrogen Hasil
Elektrolisis Air Pada Motor Bakar 4 Langkah Yang Diinjeksikan Setelah
Karburator Dengan Variasi Derajat Timing Pengapian. Skripsi, Program
Sarjana Fakultas Teknik UI, Depok.
Sugiarto, Bambang. Motor Pembakaran Dalam. Jakarta: Universitas Indonesia
Utama, Didi Widya. (2011). Pengembangan Model Sistem Kontrol Traksi
Kendaraan Hibrida Berpenggerak Motor Listrik yang Terintegrasi. Tesis,
Departemen Teknik Mesin UI, Depok.
Yilmaz, Ali Can, Erinc Uludamar dan Kadir Aydin. (2010). Effect of Gas Hidroxy
(HHO) Gas Adition on Performance and Exhaust Emissions in Compression
Ignition Engine. International Journal of Hydrogen Energy, sciencedirect.
Buku Pedoman Reparasi Supra X-125 Helm-In. Jakarta: PT Astra Honda Motor
artechbdg.wordpress.com , diakses pada 24 Juni 2012
digilib.ittelkom.ac.id , diakses pada 28 Juni 2012
dynojet.com , diakses pada 25 Juni 2012
ebay.com , diakses pada 11 Juni 2012
elektro-kontrol.blogspot.com , diakses pada 25 Juni 2012
ini-robot.blogspot.com , diakses pada 2 Juli 2012
innovativeelectronis.com , diakses pada 25 Juni 2012
technotest.com , diakses pada 15 Juni 2012
web.mit.edu , diakses pada 20 Juni 2012
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
76 Universitas Indonesia
LAMPIRAN
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
77
Universitas Indonesia
Grafik Perbandingan Power dan Torsi Hasil Dynotest antara Motor Standar, Dengan Hidrogen Menggunakan Listrik dari Alternator, dan Dengan Hidrogen dengan Penggunaan Kontroler
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
78
Universitas Indonesia
Grafik Power dan Torsi Hasil Dynotest pada Motor Standar
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
79
Universitas Indonesia
Grafik Power dan Torsi Hasil Dynotest Motor Dengan Hidrogen Menggunakan Listrik dari Alternator
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012
80
Universitas Indonesia
Grafik Power dan Torsi Hasil Dynotest Motor Dengan Hidrogen dengan Penggunaan Kontroler
Analisis kinerja..., Bagus Reka Susilo, FT UI, 2012