## ENGINE COMBUSTION EFFICIENCY AND PERFORMANCE OF EXHAUST PIPE FUEL PREHEATING SYSTEM
Azamataufiq Budiprasojo 1* , Irawan, Andik 2
1 Jurusan Teknik POLITEKNIK NEGERI JEMBER Jln. Mastrip PoBOX 164 Jember 68141 INDONESIA
Email: azamataufiq@polije.ac.id

## ABSTRACT
Exhaust Pipe Preheated Fuel System (EP2FS) adalah sistem pemanas bahan bakar yang memanfaatkan panas terbuang dari knalpot. Pemanasan bahan bakar bertujuan meningkatkan homogenitas campuran bahan bakar dan udara untuk menyempurnakan proses pembakaran di mesin. Pembuatan EP2FS memerlukan desain dan perhitungan yang cermat karena temperatur bahan bakar tidak boleh melebihi 60 o C agar tidak menguap. Desain dan perhitungan menggunakan teori perpindahan panas alat penukar kalor tipe helical (Helical Heat Exchanger). Sistem yang telah siap akan diaplikasikan di kendaraan bermotor untuk kemudian diuji efisiensi pembakaran serta performanya.
Keywords: Fuel Preheating, Engine Performance, Helical Heat Exchanger

## PENDAHULUAN
Dalam  bidang  rekayasa engine , engine dengan performa tinggi namun irit, bisa diciptakan dengan  menyempurnakan  proses  pembakaran bahan bakar di ruang bakar.  Pembakaran di ruang bakar  dikatakan  sempurna  apabila  seluruh  bahan bakar  yang  masuk  ke  ruang  bakar  terbakar seluruhnya.
Penelitian  terkait  usaha  perbaikan  kualitas pembakaran  telah  dilakukan  oleh  beberapa peneliti,  salah  satunya  adalah  Sudirman  (2006) yang  menyimpulkan  bahwa  penghematan  bahan bakar  dapat  dilakukan,  dengan  beberapa  metode yang meliputi metode magnet, metode pemanasaan awal ( preheating ), metode gabungan (variasi pemanasan dan elektromagnetik), metode cyclone ,  metode  menaikan  kadar  oktan  bahan bakar,  metode  penambahan  pasokan  udara,  dan metode kondisi mesin.
Metode  pemanasan  awal  sebagai  usaha perbaikan  kualitas  pembakaran  pernah  dilakukan dengan Upaya pemberian panas awal pada bahan bakar  ( fuel  preheating ).  Sugiarto  (2011)  yang meneliti pengaruh pemanasan bahan bakar bensin melalui  media pipa tembaga  di dalam  upper tank radiator terhadap emisi gas buang CO pada mesin Daihatsu Taruna tahun 2000. Hasil analisa statistik menunjukkan pengaruh yang signifikan pada taraf signifikansi 1% yaitu pada pemanasan bahan bakar bensin dengan media pipa tembaga di dalam upper tank radiator.
Pembakaran  dengan  menggunakan  bahan bakar yang telah terlebih dahulu dipanaskan dapat lebih  baik  karena  bahan  bakar  dalam  fase  cair jenuh  lebih  mudah  terbakar  bila  dibandingkan dalam  fase  cairnya.  Pemanasan  bahan  bakar bertujuan  meningkatkan  homogenitas  campuran
bahan  bakar  dan  udara  untuk  menyempurnakan proses pembakaran di mesin.
Penggunaan  radiator  sebagai  sumber pemanas  awal  bagi  sistem  pemanas  bahan  bakar merupakan ide yang amat baik, karena memanfaatkan  rugi  panas  dari  mesin  yang  tidak terpakai  menjadi  suatu  sumber  energi  yang terpakai.  Suatu  siklus  pemakaian  ulang  energi ( recycling  of  energy )  terjadi  pada  sistem  ini. Energi yang terbuang dapat diubah menjadi energi yang bermanfaat.
Sayangnya tidak semua kendaraan menggunakan  radiator,  sehingga  perlu  dipikirkan suatu  alternatif  sistem  pemanasan  awal  bahan bakar  yang  dapat  diaplikasikan  pada  kendaraan yang  lebih  umum.  Berangkat  dari  ini  maka dibuatlah  penelitian  yang  berisi  perancangan exhaust  pipe  preheating  fuel  system (EP2FS) berbasis alat penukar kalor tipe pipa dingin sebagai upaya peningkatan efisiensi pembakaran engine . Penelitian  kali  ini  ingin  mendesain  suatu sistem  pemanas  awal  bahan  bakar  menggunakan panas  terbuang  mesin  yang  dibuang  melalui knalpot  sebagai  sumber  panasnya.  Penelitian  ini diharapkan  mampu  membuat  suatu  sistem pemanas awal bahan bakar yang dapat diaplikasikan  pada  kendaraan  secara  lebih  umum (tidak hanya pada kendaraan dengan radiator).
Perhitungan  untuk  mendesain  EP2FS menggunakan  persamaan  persamaan  dalam  ilmu heat  transfer  khususnya  tentang  heat  exchanger. Sumber  panas  yang  digunakan  dalam  kasus  ini adalah  panas  dari  flue  gas  yang  mengalir  dalam suatu  pipa  dengan  temperature  tinggi.  Panas  dari flue  gas  akan  dimanfaatkan  untuk  memanaskan bahan bakar sebagai fluida kerja. Temperatur dari fluida  kerja  adalah  rendah  dan  fluida  kerja  ini
mengalir  dalam  pipa  yang  memiliki  temperature rendah pula.
Pembuatan EP2FS memerlukan desain dan perhitungan yang cermat karena temperatur bahan bakar  tidak  boleh  melebihi  60 o C  agar  tidak menguap.  Desain  dan  perhitungan  menggunakan teori  perpindahan  panas  alat  penukar  kalor  tipe helical (Helical Heat Exchanger).
Setelah  didapatkan  suatu  EP2FS  yang adalah  sistem  pemanas  awal  bahan  bakar  dengan panas  knalpot,  maka  akan  diteliti  juga  seberapa besar pengaruh dari pengaplikasian sistem ini pada engine dilihat  dari  kadar  emisi,  performa engine, serta effisiensi pembakarannya.

## METODOLOGI PENELITIAN
Penelitian  ini  menggunakan  pendekatan eksperiment  (Research  Method).  Pengumpulan data  dilakukan  dengan  mengadakan  penelitian secara langsung pada obyek penelitian. Tahapan Penelitian :
Model Instalasi Penelitian yang Digunakan
Gambar 1 Instalasi Penelitian
Gambar 2 Rencana Desain EP2FS
Perhitungan : Perhitungan EP2FS menggunakan perhitungan heat exchanger tipe helical yang disesuaikan dengan kondisi pada instalasi.

## Nomenclature
A Area untuk transfer panas, m 2 Dc in Diameter dalam dari coil, m Dc out Diameter luar dari coil, m De in Diameter dalam dari knalpot, m De out Diameter luar dari knalpot, m h f Koefisien perpindahan panas konveksi dari Bahan bakar h fg Koefisien perpindahan panas konveksi dari Flue gas K c Koefisien perpindahan panas konduksi dari coil K e Koefisien perpindahan panas konduksi dari exhaust pipa k coil Konduktivitas panas dari coil, kcal/(h)(m 2 )( o C) k ex pipe Konduktivitas panas dari exhaust pipe, kcal/(h)(m 2 )( o C) L Panjang coil helical yang diperlukan untuk membentuk putaran N , m M Laju aliran cairan, kg/h N Angka teoritis dari putaran helical coil n Angka riil dari putaran coil yang dibutuhkan untuk tugas proses panas yang diberikan ( N dibulatkan ke integer tertinggi selanjutnya) N Re
Angka Reynolds, Dup /µ atau DG /µ, dimensionless Q Beban panas, kcal/h R a Faktor fouling shell-side, (h)(m 2 )( o C)/kcal R t
Faktor fouling tube-side,
(h)(m 2 )( o C)/kcal Re f Angka Reynolds bahan bakar, dimensionless Re fg Angka Reynolds flue gas, dimensionless
µ Viskositas cairan pada rata-rata suhu bulk-fluid, kg/(m)(h) 1/U Hambatan thermal total, (h)(m 2 )( o C)/kcal u Kecepatan cairan, m/h U Koefisien perpindahan panas total, kcal/(h)(m 2 )( o C) ρ Densitas cairan, kg/m 3 ρ f Densitas bahan bakar, kg/m 3 ρ fg Densitas flue gas, kg/m 3 ΔX c
Tebal pipa tembaga, m ΔX e Tebal pipa knalpot, m
a. Koefisien perpindahan panas konveksi dari Flue gas (h fg )
Diasumsikan  aliran  dalam  pipa  adalah  fully development flow.
Perhitungan perpindahan panas konveksinya mengunakan persamaan : h fg = 0,6 . Re fg 0,5 . Pr fg 0,31 b. Koefisien perpindahan panas konveksi dari Bahan bakar (h f ) Diasumsikan  aliran  dalam  pipa  adalah  fully development flow.
Perhitungan perpindahan panas konveksinya mengunakan persamaan : h f = 0,6 . Re f 0,5 . Pr f 0,31 c. Koefisien perpindahan panas konduksi pipa tembaga setebal (Kc)
Tebal pipa tembaga
: = Dc out – Dc in Koefisien perpindahan panas :
d. Koefisien perpindahan panas konduksi pipa
knalpot setebal (Ke) Tebal pipa knalpot Dxce  : = De out – De in
Koefisien perpindahan panas :
e. Hambatan thermal total (1/U)
Faktor fouling, R t dan R a , merupakan suatu konstanta  tergantung  dari  sifat  alami  fluida, campuran dalam fluida, temperatur operasi fluida serta kecepatan dari fluida.
f. Koefisien perpindahan panas total (U) U = 1 / ( 1/U )
g. Log Mean Temperature Difference (LMTD)
h. Kalor yang di alirkan (Q) Q = ( U ) x A x (T out Fuel – T in Fuel)
i. Area yang dibutuhkan untuk menghasilkan Q (A)
Area ini adalah area dengan asumsi selurug bagian coil tembaga bersentugan dengan pipa suber panas. Pada kasus ini area yang bersentuhan hanya 1/3 saja. Sehingga area nyata yang bersentuhan untuk mengamoadir 1/3 contact = 3 x A
j. Panjang teoritis Coil yang dibutuhkan
L = N k. Angka teoritis dari putaran helical coil (N)

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Desain  EP2FS  memerlukan  beberapa properties.  Nilai  dari  properties  diambil  dari pengukuran langsung dan dari literatur. Properties yang  akan  digunakan  untu  perhitungan  disajikan dalam tabel 1
Tabel 1 Physical Properties Table
Dari  tabel  1  dilakukan  perhitungan menggunakan  persamaan  persamaan  yang  pada metode  penelitian.  Untuk  memudahkan  proses perhitungan  digunakan  aplikasi  pengolah  data. Hasil  dari  perhitungan  didapatkan  bahwa  untuk membuat  EP2FS  sebagai  pemanas  bahan  bakar bensin agar mencapai temperatur 60 o C diperlukan pipa  tembaga  dengan  diameter  luar  9.5mm  serta diameter  dalam  8.3mm  dan  panjang  40  cm.  Pipa tembaga  dengan  dimensi  ini  diproduksi  oleh industri dengan ukuran 5/8 inch.
Bensin  mulai  berubah  menjadi  uap  pada temperature 60 o C. Pada penelitian ini suhu 60 o C dijadikan  suhu  maksimal  dari  bahan  bakar  saat keluar EP2FS. Untuk menjamin suhu yang keluar EP2FS  adalah  maksimal  60 o C  maka  perlu  diuji
temperature bahan bakar keluar EP2FS. Pengujian ini  dilakukan  setelah  EP2FS  dipasang  di  sepeda motor kemudian dinyalakan dengan variasi RPM. Berikut adalah hasil pengujiannya.
Tabel 2 Temperatur bahan bakar keluar EP2FS
Dari tabel terlihat bahwa, dengan menggunakan EP2FS temperatur maksimal bahan bakar keluar EP2FS adalah 59.7 o C dibawah 60 o C. Setelah  diyakinkah  bahwa  EP2FS  mampu memanaskan  bensin  dengan  suhu  maksimal dibawah  60 o C,  maka  kemudian  EP2FS  dipasang pada  kendaraan  untuk  diuji  performa  serta  gas buang  untuk menentukan  berapa  efisiensi pembakarannya.
Hasil  dari  pengujian  ini  disajikan  dalam grafik grafik berikut.
Gambar 3 Grafik Power vs rpm
Gambar 4 Grafik Torque vs rpm
Gambar 5 Grafik volume gas buang Oksigen vs rpm
Gambar 6 Grafik volume gas buang Hidrocarbon vs rpm Effisiensi pembakaran adalah perbandingan antara volume gas CO 2 dibandingkan dengan jumlah volume CO 2 dan CO yang dinyatakan dalam prosen.
Gambar 7 Grafik volume gas buang karbondioksida vs rpm
Gambar 8 Grafik volume gas buang karbon monoksida vs rpm
Gambar 9 Grafik combustion efficiency vs rpm

## Analisis Keuntungan
Mesin  yang  efisien  adalah  mesin  yang mempunyai  sistem  penyalur  bahan  bakar  yang mampu membuat campuran udara dan bahan bakar tercampur  secara  homogen  diruang  bakar. Homogen  disini  artinya  adalah  seragam  yang diindikasikan  dengan  besar  partikel  bahan  bakar ( droplet )  berukuran  sangat  kecil  sehingga  lebih mudah  bercampur  dengan  partikel  oksigen  untuk dibakar.  Teknologi  injeksi  merupakan  teknologi yang dikembangkan untuk tujuan ini.
Droplet juga  bisa  berbentuk  lebih  kecil pada  fluida  dengan  temperatur  yang  lebih  tinggi, viskositas rendah dan tegangan permukaan rendah. Berlandas dari tujuan ini  maka pemanasan bahan bakar  dilakukan.  Meningkatnya  suhu  pemanasan bahan  bakar  dapat  membuat  lapisan  bahan  bakar semakin  mudah  terlepas  karena  adanya  proses memperkecil viskositas dan tegangan permukaan. Perubahan  parameter  ini  dapat  membuat  partikel bahan  bakar  akan  lebih  aktif  untuk  bercampur dengan  udara.  Imbas  dari  hal  ini  adalah pembakaran  yang  terjadi  semakin  sempurna karena  ada  perbaikan  dari  pencampuran  bahan bakar dan udara.
Pemanasan  bahan  bakar  harus  dilakukan dengan cermat karena sifat dari bahan bakar yang mudah  menguap.  Bahan  bakar  menguap  pada temperatur 70 o C. Oleh karenanya pemanas hanya boleh  memanasi  bahan  bakar  sampai  mencapai temperatur maksimal 70 o C.
Pada pra penelitian pernah dicoba
memanaskan  bahan  bakar  hingga  mencapai  suhu 90 o C dengan memanfaatkan pemanas yang berasal dari  listrik  DC.  Pemanas  kemudian  dipasang  di kendaraan  roda  dua  dan  diuji.  Hasilnya  adalah bahan bakar berubah menjadi uap dan mesin susah untuk  idle  yang  kemudian  disusul  dengan  mesin mati.  Selain  itu  sumber  tegangan  DC  (Aki)  lebih cepat  berkurang  tegangannya  karena  harus menyuplai peralatan tambahan pemanas.
Pembuatan alat pemanas bahan bakar yang menggunakan  sumber  panas  dari  knalpot  harus didesain dan dihitung secara cermat karena output temperatur  bahan  bakar  dari  alat  pemanas  tidak boleh  melebihi  60 o C  (dibawah  dari  temperatur penguapan  bahan  bakar  sebesar  70 o C).  Pada pengambilan  data  temperatur  knalpot  sebagai sumber  panas,  didapatkan  bahwa  temperatur maksimal knalpot dari kendaraan uji adalah 450 o C sangat  jauh  lebih  tinggi  dari  temperatur  bahan bakar yang ditargetkan.
Dari  perhitungan  didapatkan  bahwa  untuk membuat  EP2FS  sebagai  pemanas  bahan  bakar bensin agar mencapai temperatur 60 o C diperlukan pipa  tembaga  dengan  diameter  luar  9.5mm  serta diameter dalam 8.3mm dan panjang 40cm. EP2FS Berdesain lilitan berbentuk coil dengan penambahan  insulator  pada  bagian  sisi  luar  coil. Jumlah  lilitan  adalah  2,5  lilitan.  Pipa  tembaga dengan  dimensi  ini  diproduksi  oleh  industri dengan ukuran 5/8 inch.
Untuk  menjamin  suhu  yang  keluar EP2FS adalah  maksimal  60 o C  maka  perlu  diuji temperature bahan bakar keluar EP2FS. Pengujian ini  dilakukan  setelah  EP2FS  dipasang  di  sepeda motor kemudian dinyalakan dengan variasi RPM. Dari  tabel  terlihat  bahwa,  dengan  menggunakan EP2FS  temperatur  maksimal  bahan  bakar  keluar EP2FS  adalah  59.7 o C  dan  berada  dibawah  dari temperatur  maksimal  bahan  bakar  yang  diijinkan yaitu  60 o C.  Jadi  dapat  disimpulkan  bahwa perhitungan dan desain EP2FS sudah sesuai target.
Dari  pengujian  Torsi  dan  daya  didapatkan fakta bahwa pada kendaraan uji yang menggunakan  EP2FS  terdapat  peningkatan  torsi dan  daya  yang  cukup  signifikan  pada  putaran mesin  rendah.  Ini  memiliki  arti  bahwa  akselerasi dan  kecepatan  dari  kendaraan  meningkat.  Pada putaran mesin yang tinggi didapatkan data bahwa torsi  daya  cenderung  tidak  memiliki  perbedaan yang signifikan antara kendaraan yang menggunakan EP2FS dan kendaraan standar.
Kemungkinan penyebab dari tidak signifikannya  perbedaan  torsi  dan  daya  dari kendaraan EP2FS dan standar adalah karena pada putaran mesin bahan bakar dari kendaraan standar sudah  mendapatkan  panas  yang  cukup  untuk berubah menjadi droplet yang homogen dari panas mesin  yang  cukup  tinggi  akibat  gesekan  diruang bakar pada kecepatan pergerakan piston yang
cepat.  Peningkatan  power  dan  torsi  pada mesin  dengan  menggunakan  EP2FS  adalah  40% pada putaran mesin rendah dan 1.5% pada putaran mesin tinggi.
Emisi H-C atau hidrokarbon erat kaitannya dengan  berapa  banyak  bahan  bakar  yang  tidak terbakar  karena  kurang  baiknya  pencampuran antara  droplet  bahan  bakar  dan  molekul  oksigen. Emisi  CO  atau  karbon  monoksida  paling  banyak menonjol  perbedaannya  dan  paling  berbahaya  di antara emisi dari mesin lainnya. Jumlah CO yang tinggi dapat terjadi karena bahan bakar kekurangan oksigen dalam pembakaran hidrokarbon.
Untuk Nox tidak tercatat karena peran dari catalyc  converter  pada  sisi  silincer  muffler knalpot.  Efisisiensi  pembakaran  yang  didapatkan dari pemakaian EP2FS adalah meningkat 6% dari standar.
Analisis Kerugian Dengan  pemakaian  sistem  EP2FS  ada beberapa kekhawatiran yang mungkin perlu diteliti lebih lanjut yaitu bahwa dengan pemanasan bahan bakar akan terjadi perubahan viskositas dari bahan bakar.  Viskositas  fluida  bahan  bakar  berbanding terbalik dengan temperatur. Meskipun meningkatkan  temperatur  bahan  bakar  dapat menurunkan viskositasnya sehingga dapat memperkecil  ukuran  droplet  dan  meningkatkan homogenitas  dari  bahan  bakar,  namun  itu  akan mempengaruhi proses pelumasan.
Temperatur  ruang  bakar  juga  disinyalir akan semakin meningkat dengan semakin baiknya proses  pembakaran  sehingga  perlu  dipikirkan modifikasi  pada  sistem  pendinginan  untuk  dapat mengatasi  kenaikan  temperatur  ruang  bakar. Durabilitas mesin erat kaitannya dengan suhu kerja mesin dan pendinginannya.
Pengaplikasian  pada  kendaraan  yang menggunakan  injeksi  perlu  diteliti  lebih  lanjut. Karena  sistem  injeksi  bekerja  dengan  memakai peranti elektronik. Pemakaian EP2FS dikhawatirkan  memiliki  dampak  pada  peranti elektronik pada sistem injeksi.

## KESIMPULAN
Ada  beberapa  hal  yang  dapat  disimpulkan dari penelitian ini:
1. Dari  perhitungan  didapatkan  bahwa  untuk membuat EP2FS sebagai pemanas bahan bakar bensin  agar  mencapai  temperatur  60 o C diperlukan pipa tembaga dengan diameter luar 9.5  mm  serta  diameter  dalam  8.3  mm  dan panjang  40  cm.  EP2FS  Berdesain  lilitan berbentuk  coil  dengan  penambahan  insulator pada bagian sisi luar coil. Jumlah lilitan adalah 2,5  lilitan.  Pipa  tembaga  dengan  dimensi  ini diproduksi  oleh  industri  dengan  ukuran  5/8 inch.
2. Temperatur  EP2FS  maksimal  bahan  bakar keluar  EP2FS  adalah  59.7 o C  dan  berada
dibawah dari temperatur maksimal bahan bakar yang diijinkan yaitu 60 o C.
3. Dari pengujian Torsi dan daya didapatkan fakta bahwa pada kendaraan uji yang menggunakan EP2FS  terdapat  peningkatan  torsi  dan  daya yang  cukup  signifikan  pada  putaran  mesin rendah. Ini memiliki arti bahwa akselerasi dan kecepatan dari kendaraan meningkat.
4. Peningkatan  power  dan  torsi  pada  mesin dengan menggunakan EP2FS adalah 40% pada putaran  mesin  rendah  dan  1.5%  pada  putaran mesin tinggi.
5. Efisisiensi  pembakaran  yang  didapatkan  dari pemakaian  EP2FS  adalah  meningkat  6%  dari standar.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Azwar,  Saifuddin.  2004. Metode  Penelitian . Yogyakarta : Pustaka Pelajar
[2] Brenda  Brevitt.  2002. Alternative  Vehicle Fuels, Science Environment Section .
[3] House of Commons Library,  Research Paper 02/11
Coates, J. and Pressburg, B. S., Heat transfer to  moving  fluids ,  Chemical  Engineering Journal 2009, page 67-72 Dimoplon,  W. Finding  the  length  of  helical coils, Chemical Engineering Journal 2008 Edward,  M.  F.,  others, Heat  transfer  and pressure  drop  characteristic  pf  a  plate exchanger using newtonian and non newtonian  liquids, Chemical  Engineering Journal 2004, page 286-293 Fessenden.  1991. Kimia  Organik  Jilid  1. Jakarta : Erlangga Kern, D. Q ., Process Heat Transfer , McGraw- Hill, New York 2000 Patil,  Ramachandra  K.,  others, Designing  a helical-coil heat exchanger , Chemical
Engineering  Journal,  page  85-88  Desember 2009 R.R. Saraf, S.S.Thipse and P.K.Saxena. 2009. Comparative Emission Analysis of Gasoline/LPG  Automotive  Bifuel  Engine . International Journal of Civil and Environmental Engineering 1:4 2009 Soenarta,  Nakula.  2005. Motor  Serba  Guna . Jakarta : Paradnya Paramita
Sudirman, Urip. 2006. Metode Tepat Menghemat  Bahan  Bakar  (Bensin)  Mobil. Jakarta : Kawan pustaka Suyanto, Wardan. 2009. Teori Motor Bensin . Jakarta: DEPDIKBUD.
Willard W. Pulkrabek. Engineering Fundamentals  of  the  Internal  Combustion
Engine . New Jersey.Hal. 229.