PENGARUH CAMPURAN BAHAN BAKAR PREMIUM, HIDROGEN DAN ETANOL 96% TERHADAP PERFOMANSI DAN EMISI GAS BUANG MESIN GENSET OTTO
Martinus I. Tarigan 1 , Tulus B. Sitorus 2 , Dian M. Nasution 3 , Taufiq B. N 4 , A. Husein Siregar 5 , Zulkifli L 6 , Alfian Hamsi 7 , Farel H. Napitupulu 8 1,2,3,4,5,6,7,8 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara Email: martinusidastanta@yahoo.com

## ABSTRAK
Semakin berkurangnya cadangan minyak bumi dan pemakaian bahan bakar fosil yang terus meningkat menyebabkan timbulnya ancaman krisis energi. Mengantisipasi hal tersebut diperlukan pengembangan sumber  energi  terbarukan  sebagai  energi  alternatif.  Pencampuran  bahan  bakar  untuk  menghemat penggunaan  minyak  merupakan  salah  satu  alternatif.  Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  mengetahui perbandingan  performansi  dan  emisi  gas  buang  yang  dihasilkan  mesin  genset  Otto  4  langkah  merk STARKE  tipe  GFH1900LX  dengan menggunakan  bahan  bakar premium  100%,  etanol(96%)  100%, campuran  premium  50%  dengan  etanol  50%,  serta  penambahan  hidrogen  sebesar  2,5%  pada  bahan bakar campuran etanol dan premium.   Penelitian ini dilakukan dengan cara menimbang bahan bakar kemudian, memberikan beban pada mesin genset yang telah dihidupkan, tegangan dan kuat arus diukur dengan multimeter, putaran diukur dengan tachometer dan waktu habis bahan bakar dihitung dengan stopwatch, kemudian data dianalisa. Dari percobaan menggunakan bahan bakar etanol 100%, sfc yang tertinggi yang dihasilkan adalah  4320g/Kw.jam tergolong boros jika di bandingkan dengan campuran bahan bakar premium 100% sebesar 3043 g/Kw.jam, serta etanol 50% + premium50% sebesar 4071 g/ Kw.jam, dan campuran (premium50% + etanol50%)97,5% + hydrogen 2,5% sebesar 3975 g/Kw.jam akan  tetapi  bahan  bakar  etanol,    hidrogen,  dan  campuran  ini  tetap  mempunyai  keuntungan,  yaitu ketersediaan bahan baku yang melimpah.
Kata kunci : bahan bakar fosil, emisi gas buang, etanol, hidrogen, performansi

## ABSTRACT
The deplation of oil reserves and fuel consumption that is on the rise cause the onset of the threat of wn energy crisis. It is necessary of renewable sources of energy as an alternative energy. Mixing fuel oil usage to save is an alternative. Purpose of this study are to find out comparison of performance and exhaust  emission    from  genset  engine  Otto  4-step  merk  STARKE  Type  GFH1900LX  with  used premium100%,  ethano(96%)100%,  mixture  premium50%-etanol50%  and  mixture  premium-etanol- 2,5%hidrogen. This research done by weighing the fuel, then provide a load to genset engine that has been turned on, voltage and  current measured by multymeter, circle measured by tachometer and time measured by stopwatch, and then the data were analyzed. From experiments using 100% ethanol fuel, sfc produced highest is 4320 g/kw.hour relatively wasteful when compared with premium fuel mixture 100%  by 3043g/Kw.hour  and  ethanol  50%  +  premium50%  by  4071g/kw.hour,  and  mixtures (premium50%  +  etanol50%)  97.5%  +  2.5%  hydrogen  by  3975  g/kw.hour  however,  fuel  ethanol, hydrogen, and the mixture is still has the advantage, namely the availability of abundant raw materials.
Keywords: fossil fuels, emissions, ethanol, hydrogen, performance

## 1. PENDAHULUAN
Belakangan ini, bahan bakar fosil menjadi satu-satunya sumber energi di bumi ini. Sehingga tidak heran kalau beberapa tahun belakangan ini wajah dunia babak belur disebabkan perebutan kuasa atas sumber utama penghasil
energi
ini.
Penggunaan  energi  fosil  dengan  skala  besar  menimbulkan  berbagai  masalah.  Ketika  pembakaran
berlangsung    untuk  menghasilkan  energi,  bahan  bakar  fosil  ini  melepaskan  karbon  dan  zat  hasil pembakarannya ke udara. Pelepasan karbon ini menyebabkan polusi dan dapat merusak ozon.
Hidrogen  adalah  unsur  yang  paling  sederhana  dari  semua  unsur yang ada  di  alam  ini  .  Tiga perempat dari massa jagat raya ini adalah hidrogen. Di bumi sendiri bentuk hidrogen yang paling umum dikenal adalah air (H 2 O).
Selain hidrogen belakangan juga sudah ada bahan bakar alternatif yang ramah akan lingkungan disebut etanol (C 2 H 5 OH). Ethanol adalah salah satu bentuk  energi terbaharui yang dapat diproduksi dari  tumbuhan.Alkohol  merupakan  bahan  kimia  yang  diproduksi  dari  bahan  baku  tanaman  yang mengandung pati seperti ubi kayu, ubi jalar, jagung, dan sagu biasanya disebut dengan bioethanol.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
Motor  bakar  Otto  adalah  mesin  atau  pesawat  yang  menggunakan  energi  termal  untuk melakukan kerja mekanik, yaitu dengan cara merubah energi kimia dari bahan bakar menjadi energi panas, dan menggunakan energi tersebut untuk melakukan kerja mekanik [1].
Motor bensin dapat dibedakan atas 2 jenis yaitu motor bensin 2-langkah dan motor bensin 4- langkah. Pada motor bensin 2-langkah, siklus terjadi dalam dua gerakan torak atau dalam satu putaran poros engkol. Sedangkan motor bensin 4-langkah, pada satu siklus tejadi dalam 4-langkah dalam dua putaran poros engkol.
Gambar 1 P-V diagram siklus otto
➢ Langkah  Isap  (0-1):  Piston  bergerak  dari  Titik  Mati  Atas(TMA)    menuju  Ke  Titik  Mati Bawah(TMB) dengan katup In membuka, Campuran bahan bakar dan udara masuk ke ruang bakar.
➢ Langkah Kompresi (1-2) : Piston bergerak dari TMB menuju TMA dengan kedua katup menutup. Udara dan bahan bakar ditekan sehingga kompresi menjadi tinggi, kemudian busi memercikkan bunga api.
➢ Langkah Usaha (3-4): Piston bergerak dari TMA menuju Ke TMB karena dorongan daya ledakan dari percikan bunga api busi.
➢ Langkah Buang (4-1-0): piston bergerak dari TMB menuju Ke TMA dengan Katup Ex membuka, gas sisa pembakaran didorong keluar ke saluran pembuangan.
Parameter mekanik yang termasuk dalam sub-bab ini adalah torsi, daya, perbandingan udara bahan bakar, konsumsi bahan bakar sepesifik dan efisiensi dari pembakaran di dalam mesin.

## Torsi dan Daya
Torsi  yang  dihasilkan  suatu  mesin  dapat  diukur  dengan  menggunakan  dinamometer  yang dikopel dengan poros output mesin. Oleh karena sifat dinamometer yang bertindak seolah-olah seperti sebuah rem dalam mesin, maka daya yang dihasilkan poros output sering juga disebut dengan brake power. Torsi didefenisikan sebagai gaya yang bekerja pada jaraj momen dan memiliki satuan Nm atau lbf-ft
Daya didefenisikan sebagai usaha dari mesin per satuan waktu.
P B = 2 .  𝜋 .  𝑁 60 . 𝜏 ........ (2.1)
Dimana :
P B= Daya  keluaran (Watt) N= Putaran mesin (rpm) 𝜏 = Torsi (N.m)

## Konsumsi Bahan Bakar Spesifik
Konsumsi bahan bakar spesifik (specific fuel consumption,sfc) adalah parameter unjuk kerja mesin yang berhubungan langsung dengan nilai ekonomis sebuah mesin, karena dengan mengetahui hal ini dapat dihitung jumlah bahan bakar yang dibutuhkan untuk menghasilkan sejumlah daya dalam selang waktu tertentu [2].
Sfc = 𝑚𝑓 .  10 3 𝑃 𝐵 ................. (2.2)
Dimana:
Sfc = Konsumsi bahan bakar spesifik (g/kW.h). mf
=   Laju aliran massa bahan bakar (kg/jam)

## Perbandingan udara bahan bakar (AFR)
Untuk memperoleh pembakaran sempurna, bahan bakar harus dicampur dengan udara dengan perbandingan tertentu. Perbandingan udara bahan bakar ini disebut dengan Air Fuel Ratio (AFR), yang dirumuskan sebagai berikut:
AFR= 𝑚 𝑎 𝑚 𝑓 .............   (2.3)
𝑚 𝑎 = 𝑃 𝑖 (𝑉 𝑑 +𝑉 𝑐 ) 𝑅.𝑇 𝑖 ............ (2.4)
Dimana: 𝑚 𝑎 = massa udara di dalam silinder       per siklus 𝑚 𝑓 = massa bahan bakar di    dalam  silinder per siklus ṁ 𝑎 = laju aliran udara didalam mesin ṁ 𝑓 = laju aliran bahan bakar di dalam mesin 𝑃 𝑖 = tekanan udara masuk silinder 𝑇 𝑖 = temperatur udara masuk silinder 𝑅   = konstanta udara 𝑉 𝑑 = volume langkah (displacement) 𝑉 𝑐 = volume sisa

## Efisiensi Thermal Brake
Kerja berguna yang  dihasilkan selalu lebih kecil dari pada energi yang di bangkitkan piston karena  sejumlah  energi  hilang  akibat  adanya  kerugian  mekanis  ( mechanical  losses ).  Dengan  alasan ekonomis perlu dicari kerja maksimum yang dapat dihasilkan dari pembakaran sejumlah bahan bakar.
Efisiensi ini sering disebut sebagai efisiensi termal brake (brake thermal efficiency, b  ). 𝜂 𝑏 = 𝐷𝑎𝑦𝑎 𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟𝑎𝑛 𝑎𝑘𝑡𝑢𝑎𝑙 𝐿𝑎𝑗𝑢 𝑝𝑎𝑛𝑎𝑠 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 ....(2.5)
Laju panas yang masuk Q, dapat dihitung dengan rumus berikut: Q in = m f Q HV η c................. (2.6) Dimana: m f =    laju aliran bahan bakar (kg/h) Q HV = Nilai kalor bahan bakar (kJ/kg) η c = efisiensi pembakaran (dalam pengujian diambil 0,97)

## Nilai kalor Bahan Bakar
Nilai  kalor  atas  ( High  Heating  Value)  HHV, merupakan  nilai  kalor  yang    diperoleh  secara eksperimen dengan menggunakan bom kalorimeter dimana hasil pembakaran bahan bakar didinginkan sampai  suhu  kamar  sehingga  sebagian  besar  uap  air  yang  terbentuk  dari  pembakaran  hidrogen mengembun dan melepaskan panas latennya. Data yang diperoleh dari hasil pengujian bom kalorimeter adalah temperatur air pendingin sebelum dan sesudah penyalaan. . Secara teoritis, besarnya nilai kalor
.
. .
atas (HHV) dapat dihitung bila diketahui komposisi bahan bakarnya dengan menggunakan persamaan Dulong :
HHV = 33950C + 144200 (H 2 - 𝑂 2 8 ) + 9400 S……………...(2.7)
Dimana: HHV   = Nilai kalor atas (kJ/kg) C = Persentase karbon dalam bahan bakar
H 2 = Persentase hidrogen dalam bahan bakar O 2 = Persentase oksigen dalam bahan bakar S = Persentase sulfur dalam bahan bakar
Dalam  perhitungan  efisiensi   panas  dari mesin  bakar,  dapat menggunakan  nilai kalor  bawah (LHV) dengan asumsi pada suhu tinggi saat gas buang meninggalkan mesin tidak terjadi pengembunan uap air.
LHV =HHV– 2400(M+ 9H 2 ).......(2.8)

## Bahan Bakar Hidrogen
Hidrogen  merupakan unsur  kimia pada tabel  periodik yang  memiliki  simbol H dan nomor atom 1.  Pada suhu  dan  tekanan  standar,  hidrogen  tidak  berwarna,  tidak  berbau,  bersifat non-logam, bervalensi tunggal,dan gas diatomik  yang  sangat  mudah terbakar.  Dengan massa  atom 1,00794  amu, hidrogen adalah unsur teringan di dunia.
Hidrogen adalah unsur yang paling mudah terbakar dari semua zat yang dikenal. Atom hidrogen adalah agen reduktif kuat, bahkan pada suhu kamar. Unsur ini bereaksi dengan oksida dan klorida untuk menghasilkan  logam  bebas.  Karakteristik  lainnya  dari  api  hidrogen  adalah  nyala  api  cenderung menghilang  dengan  cepat  di  udara,  sehingga  kerusakan  akibat  ledakan  hidrogen  lebih  ringan  dari ledakan hidrokarbon [3].

## Hidrolisis Air (H 2 O)
Elektrolisis  air  adalah  peristiwa  pengurain  senyawa  air  (H 2 O)  menjadi  oksigen  (O 2 )  dan hidrogen dalam bentuk gas dengan menggunakan arus listrik yang dialirkan kedalam air tersebut. Pada katode, dua molekul air bereaksi dengan menangkap dua elektron, tereduksi menjadi gas H 2 dan ion hidrokida  (OH - ).  Sementara  itu  pada  anode,  dua  molekul  air  lain  terurai  menjadi  gas oksigen (O 2 ), melepaskan  4  ion  H + serta  mengalirkan  elektron  ke  katode.  Ion  H + dan  OH - mengalami  netralisasi sehingga terbentuk kembali beberapa molekul air. 2H 2 O (l) → 2H 2 (g) + O 2 (g)
Gas  hidrogen  dan  oksigen  yang  dihasilkan  dari  reaksi  ini  membentuk  gelembung pada elektrode dan  dapat  dikumpulkan.  Prinsip  ini  kemudian  dimanfaatkan  untuk  menghasilkan hidrogen  dan  hidrogen  peroksida  (H 2 O 2 )  yang  dapat  digunakan  sebagai  bahan  bakar  kendaraan hidrogen.

## Bahan Bakar Etanol
Bahan  bakar  etanol adalah  etanol   dengan  jenis  yang  sama  dengan  yang  ditemukan pada minuman  beralkohol dengan  penggunaan  sebagai  bahan  bakar.  Bioethanol  adalah  salah  satu bentuk energi  terbaharui yang  dapat  diproduksi  dari  tumbuhan.  Etanol  dapat  dibuat  dari  tanaman- tanaman yang umum, misalnya tebu, kentang, singkong, dan jagung.
Etanol adalah cairan tak berwarna yang mudah menguap dengan aroma yang khas. Ia terbakar tanpa asap dengan lidah api berwarna biru yang kadang-kadang tidak dapat terlihat pada cahaya biasa.
Sifat-sifat fisika etanol utamanya dipengaruhi oleh keberadaan gugus hidroksil dan pendeknya rantai  karbon  etanol.  Gugus hidroksil dapat  berpartisipasi  kedalam  ikatan  hidrogen,  sehingga membuatnya cair dan lebih sulit menguap dari pada senyawa organik lainnya dengan massa molekul yang sama.
Etanol adalah pelarut yang serbaguna, larut didalam air dan pelarut bagi organik lainnya.
Proses Pembuatan Etanol
Pada awalnya Langkah dasar yang dibutuhkan untuk memproduksi etanolyakni fermentasi jamur khamir,distilasi, dehidrasi, dan denaturasi.
Berikut merupakan langkah-langkah proses produksi bahan bakar etanol : 1. Fermentasi
Etanol  diproduksi  dengan  cara fermentasi mikroba  pada  gula.  Fermentasi  mikroba  saat  ini hanya  bisa  dilakukan  langsung  pada  gula.  2  komponen  utama  dalam  tanaman, amilum dan selulosa, dua-duanya terdiri dari gula dan bisa diubah menjadi gula melalui fermentasi.
2. Distilasi
Jika etanol ingin digunakan sebagai bahan bakar, maka sebagian besar kandungan airnya harus dihilangkan dengan cara distilasi. Tingkat kemurnian etanol setelah didistilasi masih sekitar 95-96%. (masih ada kandungan airnya 3-4%)..
3. Dehidrasi
Pada  dasarnya  ada  5  tahap  proses  dehidrasi  untuk  membuang  kandungan  air  dalam  campuran etanol azeotropik (etanol 95-96%). Proses yang pertama, yang sudah digunakan di banyak pabrik etanol sejak dulu, adalah proses yang disebut distilasi azeotropik. Distilasi azeotropik dilakukan dengan cara menambahkan benzena atau sikloheksana ke dalam campuran. Ketika zat ini ditambahkan, maka akan membentuk campuran azeotropik heterogen. Hasil akhirnya nanti adalah etanol anhidrat dan campuran uap dari air dan sikloheksana/ benzena. Ketika dikondensasi, uap ini akan menjadi cairan.

## Emisi Gas Buang
Emisi gas buang adalah polutan yang mengotori udara yang dihasilkan oleh gas buang  mesin itu  sendiri.  Polutan  yang  lazim  terdapat  pada  gas  buang  yaitu  carbonmonoksida  (CO),  hydrocarbon (HC), dan nitrogen oksida (NO x ) serta partikel – partikel lainnya.

## 3. METODOLOGI
Bahan  yang  menjadi  objek  pengujian  ini  adalah  bahan  bakar  premium,  etanol  96%  dan  gas hidrogen. Dengan komposisi :
✓ premium 100%
✓ etanol (96%) 100%
✓ premium 50% + etanol(96%) 50%
✓ (premium 50% + etanol(96%) 50%)97.5% + Hidrogen 2,5%

## Metode Pengumpulan Data
Data yang dipergunakan dalam pengujian ini meliputi :
1. Data primer, merupakan data yang diperoleh langsung dari pengukuran dan  pembacaan pada unit instrumentasi dan alat ukur pada masing – masing pengujian.
2. Data  sekunder,  merupakan  data  tentang  karakteristik  bahan  bakar  yang  digunakan  dalam pengujian
Data yang diperoleh dari hasil pengujian diolah menggunakan rumus yang ada, kemudian hasil dari peritungan disajikan dalam bentuk tabulasi dan grafik
Parameter yang akan ditinjau dalam pengujian ini adalah : 1. Torsi motor ( T )
2. Daya motor ( N )
3. Konsumsi bahan bakar spesifik ( sfc )
4. Rasio udara bahan bakar (AFR)
5. Efisiensi thermal
6. Emisi gas buang
Prosedur pengujian dibagi menjadi beberapa tahap, yaitu :
1. Pengujian nilai kalor bahan bakar
2. Pengujian mesin otto menggunakan bahan bakar Premium 100%
3. Pengujian mesin otto menggunakan bahan bakar Etanol 100%
4. Pengujian mesin otto menggunakan bahan bakar Premium50% + Etanol50%
5. Pengujian  mesin  otto  menggunakan  bahan  bakar  campuran  (Premium  50%  +    Etanol  50%) 97,5% + Hidrogen 2,5%

## 4. Hasil Dan Pembahasan

## Daya
Grafik hubungan antara daya dengan putaran:
Gambar 2 drafik daya vs putaran
Dari  grafik  diatas  dapat  disimpulkan  bahwa  Pengunan  bahan  bakar  campuran  premium ditambah dengan etanol dengan komposisi masing-masing campuran sebesar 50% tidak efisien. Hal itu ditunjukkan  dengan  menurunnya  daya  yang  di  hasilkan  oleh  mesin  genset  otto.  Namun  setelah ditambahkan  dengan  bahan  bakar  hidrogen  pembakaran  menjadi  lebih  meningkat  dan  daya  yang dihasilkan menjadi lebih meningkat. Hal itu dikarenakan nilai kalor hidrogen yang tinggi dan bagus untuk pembakaran.

## Konsumsi Bahan Bakar Sfesifik
Grafik hubungan torsi dengan putaran:

## Gambar 4 Grafik SFC VS Beban
Dari grafik dapat kita simpulkan bahwa Pengunaan bahan bakar etanol 100% tergolong boros jika  di  bandingkan  dengan  campuran bahan  bakar  premium  100%, etanol  50% +  premium50%,  dan campuran  (premium50%  +  etanol50%)97,5%  +  hidrogen2,5%.  Dimana  etanol  100%  menghasilkan SFC  tertinggi  sebesar  4320  pada  putaran  4160.  Sedangkan  nilai  SFC  terendah  dihasilkan  oleh premium100% pada putaran 4690 sebesar 923,6453.
Kadar O 2 Perbandingan kadar O 2 dengan putaaran :
Gambar 10 Kadar O 2 vs putaran
Melihat  dari  kecenderungan  grafik  kadar  O 2 terbesar  dikeluarkan  oleh  P  100%  dan  kadar terendahnya dikeluarkan oleh E100% Ini mengartikan bahwa adanya oksigen yang tidak terpakai dalam pembakaran,  mengakibatkan  pembakaran  tidak  sempurna  terjadi  didalam  mesin.  Dan  hal  ini mengartikan bahwa pembakaran bahan bakar campuran P50% + E50% lebih sempurna dibandingkan dengan P100%. Dan pada saat dilakukan pencampuran nilai oksigen cenderung menurun dibandingkan P 100% yang mengakibatkan pembakaran menjadi lebih sempurna. Dan saat dilakukan pencampuran
dengan  bahan  bakar  H  kadar  oksigen  mengalami  sedikit  penurunan  terhadap  campuran.  yang mengartikan pembakaran mengalami peningkatan.

## 5. KESIMPULAN
Dari hasil pengujian dan analisis data, adapun kesimpulan yang dihasilkan dari pengujian ini adalah;
1. Pengunan  bahan  bakar  campuran  premium  ditambah  dengan  etanol  dengan  komposisi  masing- masing campuran sebesar 50% tidak efisien. Hal itu ditunjukkan dengan menurunnya daya yang dihasilkan  oleh  mesin  genset  otto.  Namun  setelah  ditambahkan  dengan  bahan  bakar  hidrogen pembakaran menjadi lebih meningkat dan daya yang dihasilkan menjadi lebih meningkat. Hal itu dikarenakan nilai kalor hidrogen yang tinggi dan bagus untuk pembakaran.
2. Pengunaan bahan bakar etanol 100% tergolong boros jika di bandingkan dengan campuran bahan bakar  premium  100%,  etanol  50%  +  premium50%,  dan  campuran  (premium50%  + etanol50%)97,5%  +  hidrogen2,5%.  Dimana  etanol  100%  menghasilkan  SFC  tertinggi  sebesar 4320  pada  putaran  4160.  Sedangkan  nilai  SFC  terendah  dihasilkan  oleh  premium100%  pada putaran 4690 sebesar 923,6453.
3. Pengunaan bahan bakar campuran etanol dan hidrogen mampu mengurangi tingkat gas beracun yang dihasilkan oleh mesin genset otto sebagai alat uji pengujian emisi gas buang. Hal ini dapat kita lihat dari data hasil percobaan uji emisi. Dimana jumlah kadar CO 2 tertinggi dihasilkan oleh percobaan dengan bahan bakar etanol sebesar 5,8%. Sedangkan untuk gas buang CO yang terkecil dihasilkan  oleh  etanol  100%  sebesar  0,78.  Sementara  untuk  kadar  gas  buang  HC  terendah dihasilkan oleh etanol 100% sebesar 28 ppm. Dan untuk kadar gas buang O2 tertinggi dihasilkan oleh premium 100% sebesar 13,80%.

## DAFTAR PUSTAKA
1] Arismunandar, Wiranto. Penggerak Mula Motor Bakar Torak . Bandung:  Penerbit ITB 1994.
2] Heywood B.. Internal Combustion Engine Fundamentals . New York :  McGraw-Hill 1988.
3] Putra, Arbie Marwan. Analisis Produktifitas Gas Hidrogen dan Gas Oksigen pada Elektrolisis Larutan KOH . Jurnal Neutrino , Vol. 2 , No 2 April 2010.