Analisis Pemanfaatan Penghalang Heliks sebagai Pencampur Udara-Biogas pada Motor Bakar Siklus Otto

Abstract

Ketersediaan kandungan bahan bakar fosil yang semakin menipis, sementara kebutuhan energi meningkat untuk berbagai bidang industri, transportasi serta kebutuhan lainnya, adalah kondisi yang sedang kita hadapi. Peningkatan pemakaian bahan bakar fosil dianggap sebagai penyumbang emisi gas yang menyebabkan efek rumah kaca, pemanasan global dan perubahan iklim. Salah satu upaya untuk mengatasi masalah tersebut adalah dengan memanfaatkan energi alternative, seperti biogas yang telah berkembang dan bersifat renewable. Potensi biogas dari lingkup pertanian khususnya limbah tanaman dan ternak sekitar 370 490 setara barel minyak (SBM) (olah data dari Kementan 2015). Biogas dari digester dengan kandungan 45%-70% metan dapat digunakan sebagai bahan bakar dan menghasilkan sedikit emisi gas buang. Penelitian ini bertujuan untuk merancang dan mengaplikasikan suatu alat pencampur udara-biogas yang dapat memanfaatkan biogas secara langsung dari digester untuk bahan bakar motor Otto penggerak generator listrik. Alat pencampur tersebut menggunakan penghalang heliks yang berada di dalam selongsong silinder, sebagai pengganti karburator yang ditempatkan sebelum intake manifold. Bentuk kontur dan panjang penghalang heliks diperoleh melalui perhitungan yang disesuaikan terhadap kebutuhan motor bakar Otto yang dirujuk. Perhitungan didasarkan pada analisis termodinamika siklus standar udara-motor Otto dan analisis dinamika fluida dan prinsip konservasi massa. Parameter hasil pembakaran, yang meliputi debit, kerja-siklus, tekanan efektif rata-rata, efisiensi termal dan efisiensi volumetric, disimulasikan terhadap panjang penghalang helik yang efektif. Efek penghalang menyebabkan ketidakteraturan gerakan pada aliran fluida di luar garis arus dan kecepatan yang berubah secara acak terhadap waktu. Durasi ketidakteraturan pola gerak dan kecepatan pencampuran dapat memengaruhi laju aliran, kecepatan dan penurunan tekanan (pressure drop). Proses pencampuran udara-bahan bakar dapat meningkatkan homogenitas campuran dan kualitas pembakaran. Dengan mengoptimalkan kualitas campuran udara-biogas dan kualitas pembakaran dihasilkan performansi dan emisi gas buang yang lebih baik. Alat pencampur hasil rancangan terdiri dari distributor biogas yang dilengkapi sejumlah lubang distribusi biogas, dan bagian penghalang heliks. Hitungan rancangan menghasilkan dimensi distributor biogas yang dilengkapi dengan 8 lubang dengan diameter 2 mm dengan diameter leher 12 mm dan panjang 50 mm. Penghalang heliks memiliki bentuk kontur berupa ulir terbuat dari baja karbon berfungsi sebagai pencampur udara-biogas. Diameter saluran sebesar 18 mm, panjang selongsong 78 mm, diameter poros penghalang heliks 2 mm dan membentuk sudut 30 derajat. Alat digunakan pada motor Otto generator listrik dengan kapasitas ruang bakar 222 cm³; rasio kompresi 8.5. Bahan bakar yang digunakan adalah biogas dengan kandungan 57.5% metan, dan bensin jenis pertalite dengan nilai oktan 90 sebagai pembanding. Pengoperasian motor Otto mengikuti prosedur standar operasi motor Otto yang baku dari awal hingga akhir pengujian. Performansi motor Otto diperoleh melalui pembebanan bertahap melalui penyalaan lampu pijar dengan daya masing-masing sebesar 300 W. Tahapan pembebanan dilakukan secara berurutan yaitu lampu pijar ke 1, 2, 3 dan seterusnya, masing-masing untuk uji motor Otto berbahan bakar biogas dan pertalite. Pencatatan beban maksimum pada saat kondisi motor Otto masih stabil, yang diperoleh melalui pengaturan dimmer pada pembebanan akhir penggunaan lampu pijar. Pasokan biogas dijamin dengan menggunakan kompresor. Hasil pengujian menunjukkan biogas dapat digunakan sebagai bahan bakar pada motor pembakaran di dalam (internal combution engine/ICE) Otto. Hasil simulasi terhadap penghalang heliks sepanjang 39 mm pada sistem pencampur udara-biogas menunjukkan bahwa energi pembakaran meningkat 5%. Uji performansi terhadap hasil rancangan menunjukkan hal yang sesuai, yaitu peningkatan 5% daya dan penurunan 4,5% konsumsi bahan bakar spesifik. Namun dalam aplikasinya daya yang dihasilkan lebih rendah dibandingkan dengan bahan bakar cair fosil disebabkan properti biogas yang lebih rendah. Penggantian karburator dengan sistem pencampur udara memberi dampak pada pengurangan emisi CO sebesar 10% dan HC sebesar 1.5 kali sebagai akibat meningkatnya kalor pembakaran di dalam ruang bakar

The availability of fossil fuel is decreasing, while the energy demand is increasing for various fields of industry, transportation and other needs. Increasing use of fossil fuels is considered as a contributor to gas emission, which causes greenhouse effects, global warming and climate change. One effort to overcome the problem is by utilizing alternative energy such as biogas that has been developed and is renewable. Biogas potential from agricultureal sector, especially from crop and livestock waste, is around 370490 BOE (Ministry of Agriculture 2015). Biogas produced from digesters containing 45%-70% methane, which can be used as fuel and produces less emission. This research was aimed to design an air-biogas mixing device that can be applied to utilize biogas directly from the digester to fuel Otto engine. The mixing device used a helical barrier in a cylinder sleeve, and located before the intake manifold. Contour and length of the helical barrier were obtained by calculation based on the mixture’s flow rate, and adjusted to the requirement of the reference engine. The calculation was based on thermodynamic analysis of standard air-engine cycle, fluid dynamics, and mass conservation principles. The combustion parameters, which included debit, work-cycle, average effective pressure, thermal efficiency and volumetric efficiency, was simulated in to the effective barrier length. The barrier effect caused irregular movement of fluid flow outside the stream line and the speed changes randomly with time. The duration of irregularity in the pattern of motion and the speed of mixing can affect the flow rate, speed and pressure drop. The air-fuel mixing process significantly determines the mixture homogeneity and combustion quality. Optimal homogeniety of the air-biogas mixture produces better combustion quality for better performance and emissions. The mixing device consists of a biogas distributor with a number of nozzles, and a helical barrier section. The design results in the dimensions of the biogas distributor with 8 nozzles and diameter of 2 mm, neck diameter of 12 mm and length 50 mm. The helical barrier is in the form of a screw made of carbon steel that functions as an air-biogas mixer. The dimensions of the channel diameter are 18 mm, the length of the sleeve is 78 mm, the length of the helical barrier is 39 mm, the diameter of the helical barrier shaft is 2 mm and it forms an angle of 30º. The tool is mounted on the Otto electric generator engine with a capacity of 222 cm³; compression ratio 8.5. The fuel used is biogas with 57.5% methane content, and pertalite type gasoline with an octane value of 90 as standard. The operation of the engine follows standard operating procedures of the engine from the beginning to the end of the test. Engine performance was obtained by giving variable load, using incandescent lamps with a power of 300 W. The loading increments was carried out sequentially by using lamps 1, 2, 3 and so on, respectively for biogas and pertalite fueled engine. The maximum load was recorded when the the engine is in stable condition, and was obtained by setting the dimmer at the final load. A compressor was used to ensure the supply of biogas. The test results showed that biogas can be used as fuel for Otto's internal combution engine (ICE). Simulative study on a 39 mm helical barrier in the air-biogas mixing device can increase the output power by 5%. The performance test also confirmed the results, where a 5% increase in power and a 4.5% reduction in specific fuel consumption was obtained. Besides, the helical barrier also give an impact on reducing CO emissions by 10% and HC by 1.5 times as a result of using biogas with stoichiometric AFR to produce relatively more complete combustion.