Surabaya, 18 Juli 2014

RANCANG BANGUN SISTEM PENGINJEKSIANBAHAN BAKAR GAS PADA MODIFIKASI DUALFUEL DIESEL ENGINE

Nama : Puji Dhian WijayaNRP : 4210 100 007

Dosen Pembimbing 1 : DR. I Made Ariana, ST, M.T.Dosen Pembimbing 2 : Semin, Sanuri, ST. MT.

Outline

2

3

2

4

Metodologi

5

Perhitungan

a Nilai Kalor

b Explosive Limit

c Kebutuhan Bahan Bakar

d Waktu Penginjeksian Bahan Bakar

Percobaan dan Hasil Perbandingan Nilai Kalor

Kesimpulan dan Saran

1

1. Metodologi

3

PerumusanMasalah

PerumusanMasalah

Perhitungan :Nilai Kalor CNGExplosive Limit

Kebutuhan Bahan BakarWaktu Penginjeksian

Perhitungan :Nilai Kalor CNGExplosive Limit

Kebutuhan Bahan BakarWaktu Penginjeksian

StudiLiteratur

StudiLiteratur

MulaiMulai

Bahandan Alat

Penelitian

Bahandan Alat

Penelitian

DesainAlat

DesainAlat

PembuatanAlat

PembuatanAlat

UjiEksperimen

UjiEksperimen

Berhasil?

Berhasil?

Analisa Datadan

Pembahasan

Analisa Datadan

Pembahasan

Kesimpulandan Saran

Kesimpulandan Saran

SelesaiSelesai

YaYa

TidakTidak

Desain

4

Komponen

5

3. Perhitungan

6

5 Perhitungan

a Nilai Kalor

b Explosive Limit

c Kebutuhan Bahan Bakar

d Waktu Penginjeksian Bahan Bakar

Nilai Kalor (Heating Value) CNG

7

Component Composition SummationFactors

SpecificGravity

IdealGHV Composition Compressibility Specific

Gravity GHV

(i) (Mol %) ( Vbi ) ( Gid ) ( Hid ) ( Hi ) ( Hi.Vbi ) ( Hi. Gid ) ( Hid. Hi )N2 1.720 0.0044 0.96723 0.00 0.01720 0.00008 0.01664 0.00000

CO2 1.353 0.0197 1.51955 0.00 0.01353 0.00027 0.02056 0.00000CH4 94.034 0.0116 0.55392 1010.0 0.94034 0.01091 0.52087 949.74340C2H6 1.650 0.0239 1.03824 1769.8 0.01650 0.00039 0.01713 29.20170C3H8 0.818 0.0344 1.52256 2516.2 0.00818 0.00028 0.01245 20.58252

i-C4H10 0.194 0.0458 2.00684 3252.1 0.00194 0.00009 0.00389 6.30907n-C4H10 0.060 0.0478 2.00684 3262.4 0.00060 0.00003 0.00120 1.95744i-C5H12 0.075 0.0581 2.49115 4000.9 0.00075 0.00004 0.00187 3.00068n-C5H12 0.040 0.0631 2.49115 4008.8 0.00040 0.00003 0.00100 1.60352

C6+ 0.056 0.2830 3.17652 5065.8 0.00056 0.00016 0.00178 2.83686100.000 1.00000 0.01228 0.59739 1015.2351

Data

Natural GasConstituents

CH4 -74.81C2H6 -84.68C3H8 -103.85C4H10 -126.15

CombustionProducts

CO2 -393.51H2O(g) -241.81H2O(liq) -285.83

Data CNG (Sumber : PT. Lapindo Brantas Indonesia, 2014)

Tabel Molar dari ∆H°f padatemperatur 25 °C (KJ/g-mol)

Nilai Kalor (Heating Value)

8

1. GPA Standard (Gas Processors Association)GPA Standard 2172 – 86, danGPA Standard 2261 – 89

2. Komposisi Atom Penyusunnya

Metode Perhitungan

GPA StandardReferensi Umum Komposisi Atom

1017,7504 BTU/ft31030 BTU/ft3 913,784 BTU/ft3

Formula∆H°comb a∆H°fCO₂+ y∆H°fH₂O - y ∆H°fO₂∆H°comb of component vol% of comp. x ∆H0reax of comp.Mol. mass of component mol mass x vol%Mass% of component vol% / mol mass of componentMol. mass of NG ∑(mol mass x vol%)Mass% of NG vol% / mol mass of NG∆H°comb of NG ∑ (∆H°comb of components)Low Heating Value -(∆H°comb of NG)High Heating Value LHV – ∑mol. H x ∆H°reax of H2O

Nilai Kalor (Heating Value)

9

No Data Keterangan Satuan

1 HVSolar 44.3886 MJ/kg35.8370 MJ/L

2HVCNG 51.9964 MJ/kg

39.976 MJ/L3 mSolar 100% 0.05831 gr4 VSolar 100% 0.07 mL

Nilai Kalor Solar :

Data dari Alternative Fuels Data Center (AFDC) dan Lampiran KeputusanDirjen Migas 3675 K/24/DJM/2006 tanggal 17 Maret 2006, didapatkan datanilai kalor dari solar adalah sebagai berikut :

Nilai kalor solar = 128450 BTU/gal= 35,83755 MJ/L= 44.3886 MJ/kg

Explosive Limit CNG (Lower and Higher)

10

Low Explosive Limit adalah adalah batas minimum dari konsentrasicampuran uap bahan bakar dan udara yang akan menyala atau meledak, biladiberi sumber nyala yang cukup. Kondisi ini disebut terlalu miskin kandunganuap bahan bakarnya (too lean).High Explosive Limit adalah batas maksimum dari konsentrasi campuranuap bahan bakar dan udara, yang akan menyala atau meledak, bila diberisumber nyala yang cukup. Kondisi ini disebut terlalu kaya kandungan uapbahan bakarnya (too rich).

(F. Coward, G.W.Jones, 1952)

LEL dan HEL CNG adalah 5 [vol%] dan 15 [vol%]

Data :

LEL HELMethane CH4 5 15

Ethane C2H6 3 15Propane C3H8 2.2 9.5

Butanes,dll C4H10 + 1.9 8.5

Sumber :Limit of Flammability of Gasesand Vapor, by H.F.Coward danG.W.Jones, 1952

Explosive Limit CNG (Lower and Higher)

11

Low Explosive Limit dari N2 dan CO2 adalah 5.2261 (vol%) dan 2.8744(vol%)

High Explosive Limit dari N2 dan CO2 adalah 33.257 (vol%) dan 60.7425(vol%)

Hasil Perhitungan LEL dan HEL CNG Total :

∑LELCNG = 4.8950 [vol%]∑HELCNG = 14.7288 [vol%]

Maka :

Ledakan (explotion) bisa terjadi karena tersedia cukup oksigen (HEL<15), dan

Memiliki kemungkinan untuk tidak terjadi karena adanya kekurangan bahanbakar (LEL<5).

Kebutuhan Bahan Bakar

12

Hasil pengkonversian bahan bakar solar dan CNG dengan acuan energycontent atau low heating value dari masing – masing bahan bakar adalahdalam 1 m3 CNG dalam fase cair atau 0.78 kg CNG memiliki nilai energi yangsama dengan 1.14 L solar.

Jadi dalam 1 kali penginjeksian bahan bakar solar sebesar 0.07 mL setaradengan memasukkan 57 mL CNG kedalam ruang bakar.

% CNG Vol%CNG

JumlahInjeksi

Kalibrasi%CNG

[%] [mL] [n] [LPM]10% 5.7 600 3.4220% 11.4 600 6.8430% 17.1 600 10.26

Waktu Penginjeksian

13

Data :

No Valve Condition Angle1 Intake Valve Open 200 BTDC2 Intake Valve Close 250 ABDC3 Exhaust Valve Open 400 BBDC4 Exhaust Valve Close 270 ATDC

Waktu Penginjeksian

14

Data RPM2200 2000 1800 1500

X 1100 1000 900 750Y 18.33 16.67 15.00 12.50Z 0.0550 0.0600 0.0667 0.0800

A 0.0036 0.0039 0.0044 0.0052

B 0.0510 0.0561 0.0623 0.0748

Dimana :X = Banyak injeksi dalam 1 menitY = Banyak injeksi dalam 1 detikZ = Durasi waktu untuk satu kali

penginjeksian (masih termasukover lapping valve) [s]

A = Durasi waktu over lapping valve= 47 x Z / 720 [s]

B = Durasi waktu untuk satu kalipenginjeksian (tidak termasuk overlapping valve)

= Z – A [s]

Desain untuk buka tutup valve timing adalah 0.035 s. Hal ini bergantung darisepanjang apa sensor bisa membaca.

3. Percobaan dan Hasil Perbandingan Kalor

15

3 Percobaan dan Hasil Perbandingan Kalor

a Solar 100% Tanpa Adanya Penambahan CNG

b Solar 100% Dengan Adaya Penambahan CNG 10%

c Solar 100% Dengan Adaya Penambahan CNG 20%

Solar 100% Tanpa Adanya Penambahan CNG

16

0, 0.1479

1, 0.27732, 0.3513

3, 0.40674, 0.4807

5, 0.6286

0.00000.10000.20000.30000.40000.50000.60000.7000

0 2 4 6

kons

umsi

sol

ar p

er m

enit

Beban

1500 RPM

Heating ValueEngine at100% DieselFuelConsumption

0, 0.22191, 0.29582, 0.33283, 0.51774, 0.5916

5, 0.8135

0.0000

0.2000

0.4000

0.6000

0.8000

1.0000

0 2 4 6

kons

umsi

sol

ar p

er m

enit

Beban

1800 RPM

Heating ValueEngine at100% DieselFuelConsumption

0, 0.51771, 0.51772, 0.6286

3, 0.7395

4, 1.03535, 1.2572

0.00000.20000.40000.60000.80001.00001.20001.4000

0 2 4 6

kons

umsi

sol

ar p

er m

enit

Beban

2200 RPM

Heating ValueEngine at100% DieselFuelConsumption

NoPutaranEngine Waktu Beban Jumlah

Solar m Solar HVSolar

[RPM] [s] [kW] [mL] [kg] [MJ]1

1500

60 0 4 0.0033 0.14792 60 1 7.5 0.0062 0.27733 60 2 10 0.0079 0.35134 60 3 11 0.0092 0.40675 60 4 13 0.0108 0.48076 60 5 17 0.0142 0.62861

1800

60 0 6 0.0050 0.22192 60 1 8 0.0067 0.29583 60 2 9 0.0075 0.33284 60 3 14 0.0117 0.51775 60 4 16 0.0133 0.59166 60 5 22 0.0183 0.81351

2200

60 0 14 0.0117 0.51772 60 1 14 0.0117 0.51773 60 2 17 0.0142 0.62864 60 3 20 0.0167 0.73955 60 4 28 0.0233 1.03536 60 5 34 0.0283 1.2572

Solar 100% Dengan Adanya Penambahan CNG 10%

NoPutaran Waktu Beban Jumlah

Solar m Solar HV Solar m CNG HV CNG HV total % PenghematanVol. Solar %HVEngine

[RPM] [s] [kW] [mL] [kg] [MJ] [kg] [MJ] [MJ] [%] [%]1

1500

60 0 2 0.001666 0.073951 0.00267 0.13871 0.212657 50.00% 43.78%2 60 1 4 0.003332 0.147903 0.00267 0.13871 0.286608 46.67% 3.35%3 60 2 5 0.004165 0.184879 0.00267 0.13871 0.323584 47.37% -7.88%4 60 3 7 0.005831 0.258830 0.00267 0.13871 0.397536 36.36% -2.26%5 60 4 9 0.007497 0.332781 0.00267 0.13871 0.471487 30.77% -1.91%6 60 5 11 0.009163 0.406733 0.00267 0.13871 0.545438 35.29% -13.23%1

1800

60 0 3 0.002499 0.110927 0.00267 0.13871 0.249633 50.00% 12.52%2 60 1 6 0.004998 0.221854 0.00267 0.13871 0.360560 25.00% 21.89%3 60 2 8 0.006664 0.295806 0.00267 0.13871 0.434511 11.11% 30.57%4 60 3 10 0.008330 0.369757 0.00267 0.13871 0.508463 28.57% -1.78%5 60 4 12 0.009996 0.443708 0.00267 0.13871 0.582414 25.00% -1.55%6 60 5 15 0.012495 0.554636 0.00267 0.13871 0.693341 31.82% -14.77%1

2200

60 0 6 0.004998 0.221854 0.00267 0.13871 0.360560 57.14% -30.35%2 60 1 10 0.008330 0.369757 0.00267 0.13871 0.508463 28.57% -1.78%3 60 2 12 0.009996 0.443708 0.00267 0.13871 0.582414 29.41% -7.35%4 60 3 16 0.013328 0.591611 0.00267 0.13871 0.730317 20.00% -1.24%5 60 4 19 0.015827 0.702538 0.00267 0.13871 0.841244 32.14% -18.75%6 60 5 25 0.020825 0.924393 0.00267 0.13871 1.063098 26.47% -15.44%

Keterangan :(-x%) adalah penurunan sebesar x%(x%) adalah kenaikan sebesar x%

Solar 100% Dengan Adanya Penambahan CNG 10%

0, 0.212657001

1, 0.2866084082, 0.323584112

3, 0.39753552

4, 0.471486927

5, 0.545438335

0.0000

0.1000

0.2000

0.3000

0.4000

0.5000

0.6000

0.7000

0 2 4 6

kons

umsi

sol

ar p

er m

enit

Beban

1500 RPM

Heating Value Engineat 100% Diesel FuelConsumption

Heating Value Engineat 100% Diesel Fuel +10% CNG

0, 0.249632705

1, 0.360559816

2, 0.434511224

3, 0.508462631

4, 0.582414039

5, 0.69334115

0.0000

0.1000

0.2000

0.3000

0.4000

0.5000

0.6000

0.7000

0.8000

0.9000

0 2 4 6

kons

umsi

sol

ar p

er m

enit

Beban

1800 RPM

Heating Value Engineat 100% Diesel FuelConsumption

Heating Value Engineat 100% Diesel Fuel +10% CNG

0, 0.360559816

1, 0.5084626312, 0.582414039

3, 0.730316854

4, 0.841243965

5, 1.063098188

0.0000

0.2000

0.4000

0.6000

0.8000

1.0000

1.2000

1.4000

0 2 4 6

kons

umsi

sol

ar p

er m

enit

Beban

2200 RPM

Heating Value Engineat 100% Diesel FuelConsumption

Heating Value Engineat 100% Diesel Fuel +10% CNG

Solar 100% Dengan Adanya Penambahan CNG 20%

NoPutaran

Waktu Beban JumlahSolar m Solar HV Solar m CNG HV CNG HV total % Penghematan

Vol. Solar%HV

Engine[RPM] [s] [kW] [mL] [kg] [MJ] [kg] [MJ] [MJ] [%] [%]

1

1500

60 0 2 0.001666 0.073951 0.005335 0.277411 0.351363 50.00% 137.56%2 60 1 3 0.002499 0.110927 0.005335 0.277411 0.388338 40.00% 40.03%3 60 2 4 0.003332 0.147903 0.005335 0.277411 0.425314 42.11% 21.08%4 60 3 6 0.004998 0.221854 0.005335 0.277411 0.499265 54.55% 22.75%5 60 4 6.5 0.0054145 0.240342 0.005335 0.277411 0.517753 50.00% 7.71%6 60 5 9 0.007497 0.332781 0.005335 0.277411 0.610193 52.94% -2.93%1

1800

60 0 3 0.002499 0.110927 0.005335 0.277411 0.388338 50.00% 75.04%2 60 1 5 0.004165 0.184879 0.005335 0.277411 0.46229 62.50% 56.28%3 60 2 7 0.005831 0.25883 0.005335 0.277411 0.536241 77.78% 61.14%4 60 3 9 0.007497 0.332781 0.005335 0.277411 0.610193 64.29% 17.88%5 60 4 12 0.009996 0.443708 0.005335 0.277411 0.72112 75.00% 21.89%6 60 5 15 0.012495 0.554636 0.005335 0.277411 0.832047 68.18% 2.28%1

2200

60 0 3 0.002499 0.110927 0.005335 0.277411 0.388338 21.43% -24.98%2 60 1 6 0.004998 0.221854 0.005335 0.277411 0.499265 42.86% -3.55%3 60 2 9 0.007497 0.332781 0.005335 0.277411 0.610193 52.94% -2.93%4 60 3 12 0.009996 0.443708 0.005335 0.277411 0.72112 60.00% -2.49%5 60 4 17 0.014161 0.628587 0.005335 0.277411 0.905998 60.71% -12.49%6 60 5 21 0.017493 0.77649 0.005335 0.277411 1.053901 61.76% -16.17%

Keterangan :(-x%) adalah penurunan sebesar x%(x%) adalah kenaikan sebesar x%

Solar 100% Dengan Adanya Penambahan CNG 20%

0, 0.3513625941, 0.388338298

2, 0.425314002

3, 0.4992654094, 0.517753261

5, 0.610192521

0.0000

0.1000

0.2000

0.3000

0.4000

0.5000

0.6000

0.7000

0 2 4 6

kons

umsi

sol

ar p

er m

enit

Beban

1500 RPM

Heating Value Engine at100% Diesel FuelConsumption

Variasi Konsumsi 100%solar dan 20% CNG

0, 0.3883382981, 0.462289705

2, 0.5362411133, 0.610192521

4, 0.721119632

5, 0.832046743

0.0000

0.1000

0.2000

0.3000

0.4000

0.5000

0.6000

0.7000

0.8000

0.9000

0 2 4 6

kons

umsi

sol

ar p

er m

enit

Beban

1800 RPM

Heating Value Engine at100% Diesel FuelConsumption

Heating Value Engine at100% Diesel Fuel +20% CNG

0, 0.3883382981, 0.499265409

2, 0.6101925213, 0.721119632

4, 0.905998151

5, 1.053900966

0.0000

0.2000

0.4000

0.6000

0.8000

1.0000

1.2000

1.4000

0 2 4 6

kons

umsi

sol

ar p

er m

enit

Beban

2200 RPM

Heating Value Engine at100% Diesel FuelConsumption

Heating Value Engine at100% Diesel Fuel +20% CNG

5. Kesimpulan dan Saran

21

Kesimpulan

1.Berdasarkan metode perhitungan dengan menggunakan formula dari GPA Standard 2172– 86 dan GPA Standard 2261 – 89 serta perhitungan berdasarkan komposisi atompenyusun, didapatkan nilai heating value dari CNG adalah 1017,7504 BTU/ft3 , 913.784BTU/ft3 dan 1111.82189 BTU/ft3. Ketiga nilai ini mendekati nilai heating value dariberbagai referensi, yaitu 1030 BTU/ft3.

2.Berdasarkan hasil perhitungan, nilai dari LEL (Low Explosive Limit) dan HEL (HighExplosive Limit) dari CNG sebesar 4.8950 [vol%] dan 14.7288 [vol%], maka ledakan(explotion) bisa terjadi karena tersedia cukup oksigen (HEL<15) dan memiliki kemungkinanuntuk tidak terjadi karena adanya kekurangan bahan bakar (LEL<5).

3.Kebutuhan bahan bakar solar sebesar 0.07 mL untuk satu kali penginjeksian, memiliki nilaikalor yang sama dengan menginjeksikan CNG sebesar 57 mL.

4.Pengoperasian PLC dapat dioptimalkan jika diterapkan pada motor diesel dengan putaranmaksimal 1200 RPM atau lebih rendah.

25

Kesimpulan

5.Pada pengujian performa mesin diesel dengan bahan bakar solar normal (100%) danbahan bakar gas (CNG) 10% pada variasi putaran 1500 RPM, dapat disimpulkan bahwadengan penambahan gas tanpa mengubah jumlah solar, nilai kalor yang dihasilkan lebihtinggi jika dibandingkan dengan pengujian saat dioperasikan dengan solar 100% tanpaadanya pembebanan. Dan jumlah konsumsi bahan bakar solar semakin hemat, rata – rataadalah 11 – 50% lebih rendah dalam rentang waktu 60 detik. Sedangkan untuk putaransebesar 1800 RPM, nilai kalor yang dihasilkan lebih rendah pada pembebanan 4 kW dan 5kW. Untuk pembebanan 0 – 3 kW, nilai kalornya naik dibandingkan dengan pengujian saatmenggunakan bahan bakar solar. Untuk pengujian putaran 2200 RPM, nilai kalor turununtuk semua variasi pembebanan.

6.Pada pengujian performa mesin diesel dengan bahan bakar solar normal (100%) danbahan bakar gas (CNG) 20% dapat disimpulkan bahwa dengan penambahan gas sebesar20% tanpa mengubah jumlah solar, nilai kalor yang dihasilkan lebih tinggi jikadibandingkan dengan pengujian saat dioperasikan dengan solar 100% untuk putaran 1500RPM dan 1800 RPM. Sedangkan untuk putaran 2200 RPM, nilai kalor yang dihasilkanlebih rendah daripada saat penambahan 10% CNG dan tanpa CNG. Untuk ketiga variasiputaran, jumlah konsumsi bahan bakar solar semakin hemat, rata – rata adalah 40 – 70%lebih rendah dalam rentang waktu 60 detik.

26

Saran

1.Untuk mencapai Jika tetap menggunakan sistem kontrol dengan menggunakan PLC ini,maka untuk penelitian selanjutnya dapat dilakukan pada motor diesel dengan putaranmaksimal sebesar 1200 RPM atau dibawahnya. Karena kemampuan membaca aliran datadari PLC hanya 0.1 s

2.Jika sistem kontrol diubah dengan menggunakan PLC yang memiliki kemampuanmembaca aliran data lebih dari 0.1 s (direkomendasikan 0,001s), maka untuk penelitianselanjutnya dapat dilakukan pada motor diesel yang sama.

3.Komponen – komponen pada converter kit seperti katup pneumatik, yang digunakanseharusnya memiliki spesifikasi khusus untuk dioperasikan dengan CNG dan biasanyatahan panas untuk pengoperasian secara terus - menerus.

4.Untuk mencapai nilai LEL (Low Explosive Limit) dari CNG, perlu ditambahkan konsentrasisenyawa murni selain CH4 (C2H6, C3H8, atau pun C4H10+).

27

Surabaya, 18 Juli 2014

Terima Kasih