design and manufacturing electronics control of brown

DESIGN AND MANUFACTURING ELECTRONICS CONTROL OF
BROWN GAS ELECTROLYZER SYSTEM
Rasiawan, I Nyoman Sutantra, Bambang Sampurno
Jurusan Teknik Mesin
Kampus ITS, Sukolilo, Surabaya, 60111
ABSTRACT
The results of water electrolysis from brown gas system have been applied for car and improve fuel
efficiency. Water was also included in the gas product which it decreased temperature and NOx emission.
Unfortunately gas flow rate was constant at all engine speed which may be disturbed burning process at low
speed because water became too much in the block cylinder.
This experiment measured a lot of parameters of electrolysis process which near optimum value. Voltage
varied from 1.3 to 3 volt for 1 sell, electrode current density under 0.2 A/cm2 and electrolyte concentration
varied from 20 to 40%. Electronics controller of electrolysis has been made with them based on engine speed
with power consumption varied from 0 to 93.6 Watt through PWM control duty. Gas product capacity
obtained from 0 to 6.5 ml/s and water included from 0 to 26.7 mg/s. The controller was able to adjusted turn
current at specific speed engine. The brown gas system obtained 1 6 from control target on the best power
condition but was able to reduce over capacity of water in cylinder block at low speed.
The experiment result showed H2 and O2 gas production had ability to brought water molecules so it
made AFR (Air Fuel Ratio) became rich or best power condition (with AFR 12.5 : 1). This condition can
reduce NOx , CO and HC emission.
Key Word: Electronics control, brown gas, AFR and gas emission.
NOx hingga 82% dan torsinya menjadi lebih
besar [6]. Injeksi air pada mesin spark ignition
dapat menghilangkan detonasi dan mengurangi
NOx lebih dari 50%, angka oktan naik dan
meningkatkan kerja mesin anatara 30% sampai 50
%. Dengan sistem injeksi air dapat mendinginkan
mesin karena panas laten air yang tinggi [7].
Eksperimen lebih lanjut dengan menambahkan air
kedalam ruang bakar berhasil meningkatkan daya
mesin yang semula 2000 HP menjadi 3800 HP
[8].
Hidrogen maupun uap air dapat sekaligus
muncul pada keluaran sistem Brown gas.
Komponen utama sistem Brown gas terdiri dari
tabung berisi air dengan katalis, elektroda katoda
dan anoda serta suplai tegangan listrik.
Kandungan katalisator, luas permukaan elektroda,
besar arus dan besar tegangan, sangat
berpengaruh terhadap hasil gas yang akan
diinjeksikan.
Jika
arus
dinaikkan
dan
menimbulkan panas, maka keluaran gas akan
mengandung uap air. Sistem brown gas yang
tidak dilengkapi dengan pengatur suplai gas
hanya efektif pada kecepatan tertentu pada sisi
lain kandungan uap air yang seharusnya juga
dapat meningkatkan performa mesin, justru dapat
mengganggu proses pembakaran jika rasionya
tidak seimbang dengan jumlah bahan bakar,
apalagi jika uap tersebut berubah menjadi cair.
Untuk itu perlu dilakukan penelitian tentang
pengaruh penambahan hidrogen atau air pada
mesin motor bakar dengan variabel rasio dan
kecepatan putar mesin serta bagaimana
merancang suplai injeksi hidrogen dan air dengan
Salah satu bentuk inovasi untuk efisiensi energi
adalah menambahkan sistem Brown gas pada
kendaraan. Sistem elektrolisis air yang ditambah
katalisator (biasa disebut Brown gas) dapat
menghasilkan hidrogen dan oksigen murni yang
mempunyai nilai kalor dan oktan tinggi dan hasil
pembakarannya tidak menimbulkan polusi. Apabila
gas tersebut ditambahkan pada mesin bahan bakar
solar atau bensin maka akan dapat meningkatkan
kualitas pembakaran dikarenakan nilai oktan bahan
bakar akan naik dan uap air yang terbentuk mampu
mendinginkan mesin.
Bahan bakar yang diperkaya hidrogen mampu
menurunkan emisi gas NOx dan HC [1]. Mesin
dengan bahan bakar konvensional yang diinjeksi
hidrogen dapat menghilangkan knock dan
backfiring[2]. Penelitian tersebut menerapkan tiga
parameter perlakuan yaitu waktu pengapian, waktu
injeksi dan rasio equivalen yang dioptimalkan
sehingga mencapai efisiensi termal dan brake mean
efective pressure yang baik serta emisi NOx rendah.
Efek penambahan hidrogen pada mesin spark
ignition (SI) dapat menaikkan efisiensi termal
sebesar 14%, emisi NOx dapat berkurang hingga
95% [3]. kondisi pembakaran pada mesin spark
ignition dioptimalkan dengan menambahkan
hidrogen sebagai suplemen bahan bakar menaikkan
efisiensi lebih dari 25% [4].
Metode lain untuk menaikkan performa
kendaraan adalah dengan injeksi air kedalam saluran
masuk suplai campuran bahan bakar-udara. Pada uji
coba kendaraan 225 cc spark ignition memperoleh
hasil penurunan emisi gas buang CO dan HC[5].
Pada mesin disel, injeksi air dapat mengurangi emisi
1
kesatuan. Sistem ini terdiri dari 4 tabung
elektroliser dan 1 tabung bubler serta 1 ruang
tempat unit kontrol elektronik. Sebagai tambahan
dipasang tabung suplai air dengan dua pompa,
mini kompresor dan selenoid valve
pengendalian arus listrik yang optimal untuk
berbagai kecepatan putaran mesin.
Metodologi
Langkah awal penelitian adalah mempelajari
tentang injeksi hidrogen, injeksi air dan injeksi
brown gas pada saluran masuk ruang bakar
kendaraan. Kemudian dilakukan pembuatan
elektroliser untuk memproduksi hidrogen dan
oksigen serta mempelajari pengaruh variasi
konsentrasi katalis, luas elektroda, tegangan
elektroda
terhadap
produksi
gas
beserta
kontaminannya. Dalam hal ini kontaminan adalah
uap air dan/atau katalis yang ikut dalam aliran gas.
Dari hasil tersebut dibuat sistem brown gas untuk
diuji pada kendaraan dengan kendala-kendala yaitu:
terdapat uap air yang terlalu banyak dan pada
kondisi mesin dingin, air tersebut menggenang pada
selang saluran Brown gas, sering terjadi kebocoran
terutama pada daerah sambungan, penggunaan arus
listrik yang tidak terkontrol merugikan umur batrei,
kesulitan pengisian tambahan air dan mengetahui
level cairan. Kendala lain yang bersifat spesifik juga
dapat terjadi, misalnya: kerusakan kabel dan
terminalnya karena tidak sesuai dengan kebutuhan
arus listrik, tegangan yang tidak seimbang dengan
luas elektroda dapat menyebabkan korosi cepat pada
elektroda,
tegangan
yang
terlalu
tinggi
menyebabkan panas pada cairan sehingga boros
energi listrik dan terjadi penguapan air. tabungtabung elektroliser yang terpisah menyulitkan dalam
penempatan pada ruang mesin, tumpahnya cairan
karena kesalahan penempatan dan lelehnya wadah
karena panas mesin.
Dari penelitian awal tersebut perlu dilakukan
perbaikan sistem Brown gas yang lebih aman dan
memberi manfaat diantaranya dengan memberikan
sistem kontrol dan penyempurnaan tabung
elektroliser. Tiga konsep rancangan akan dianalisis
dari segi kemudahan untuk dipasang maupun
dilepas, efisiensi penggunaan listrik, fungsi,
ketahanan,
stabilitas dan mudah untuk
dimanufaktur.
Konsep pertama adalah konsep reverensi yang
sudah ada dengan beberapa keunggulan dan
kelemahan. Sebagai referensi rancangan dipilih
sistem brown gas yang sudah pernah dibuat yaitu
tabung larutan elektrolit yang terdiri dari air dan
tambahan KOH atau soda kue. Kemudian sepasang
elektroda dimasukkan dan ditutup rapat dengan
diberi saluran gas keluar untuk suplai mesin
kendaraan. Elektroda diberi tegangan 12 volt dan
akan terjadi proses elektrolisis dengan laju produksi
gas relatif konstan. Model pengaturan sistem ini
adalah on-off berdasarkan saklar ignition. Model
pengembangannya adalah dengan memasang
beberapa tabung disusun secara seri.
Konsep ke-2 menerapkan sistem kontrol
berdasarkan
bukaan
throttle
valve
dan
penggabungan beberapa tabung menjadi satu
Unit kontrol
Gambar 1 Bentuk Sistem Konsep II
Pada kondisi kendaraan berhenti misalnya pada
saat start atau saat mesin akan dimatikan, proses
elektrolisis akan dihentikan. Demikian juga
pompa udara dan katup udara akan
menonaktifkan saluran. Sedangkan pompa air
akan tetap menyesuaikan level air sistem
elektroliser maupun sistem bubbler/evaporator
pada kondisi batas sesuai sensor level. Hal ini
berguna untuk menghemat pemakaian listrik dan
air serta mengurangi resiko adanya uap air yang
terperangkap dalam blok silinder.
Pada kondisi kendaraan berjalan terjadi
variasi kecepatan, sehingga sistem akan mengatur
suplai gas elektrolisis dan uap air yang sesuai
untuk meningkatkan kualitas pembakaran.
Konsep ke-3 hampir sama dengan konsep ke2, hanya mengganti mode kontrol yang semula
berdasarkan pijakan pendal gas diubah menjadi
putaran mesin yaitu dengan menyensor pulsa dari
koil pengapian. Pengaturan arus elektroda dapat
dilakukan melalui nilai putaran atau rpm mesin.
Dengan metode ini rangkaian cukup dikoneksikan
ke terminal negatif (-) coil pengapian sehingga
pemasangannya lebih praktis. Pada kondisi
kendaraan berhenti misalnya pada saat start atau
saat mesin akan dimatikan, proses elektrolisis
akan dihentikan. Kontrol ini berdasarkan sensor
putaran dan sistem cut off idle yang dapat diseting
pada frekuensi tertentu. Hal ini berguna untuk
menghemat listrik dan mengurangi resiko adanya
uap air yang terperangkap dalam blok silinder.
Air tersebut dapat menggangu proses pembakaran
pada kecepatan rendah, bahkan dapat membuat
korosi jika mesin dalam kondisi dingin.
Konsep ke-4 adalah konsep kombinasi yaitu
masing-masing tabung dihubungkan secara
internal, baik saluran udara maupun saluran
tegangan elektroda. Dengan konsep tersebut
sistem ini hanya mempunyai 4 saluran
input/output, yaitu saluran udara masuk, saluran
udara keluar dan 2 saluran koneksi tegangan
2
Solenoid valve
S
kerja. Sistem elektroliser tersebut memiliki
kelebihan dari segi kepraktisan dan arus listrik
terkontrol berdasarkan nilai putaran mesin. Koneksi
antar elektroda sudah dirakit secara internal
demikian juga saluran gas dari masing masing
tabung.
air dari nilai optimumnya. Untuk memvariasikan
arus dibuat kontrol elektronik seperti gambar 3.
pengatur tegangan elektroda
VCC 12V
ke RPM meter
8
FREK.
IN
7
5 6
LM 2917-8
1
2
3
R2
4k7
VR2
10 k
R1
470
4
gnd
TR PWR 17A
VR3
100k
IRF Z44
GND
gain rpm meter
VR5
10k
KE ELEKTRODA
& mini compresor
R5
5k
8 7
5
6
NE 555
1 2
3 4
VR1
100k
C1 C2 C3
2 n 100 1u
n
TIP 41
out LM7812 in
pengatur frekuensi
R4
10k
8
1
R6
5k
7
5
6
LM 2917-8
2
3
4
VR4
100k
4N35
C4
22n
R3
1k
pemilihan cc mesin
C5 C6 C7
2 n 330 1u
n
pengatur cut off idle
Gambar 3 Rangkaian Elektronik Unit Kontrol
Hasil pengujian menunjukkan bahwa laju
produksi gas maksimum diperoleh pada arus 7,8
A adalah 6,5 ml/det. Terjadi kenaikan efisiensi
yang semula dari perhitungan teoritis dengan
besar arus yang sama menghasilkan produksi gas
3,15 ml/det. Kenaikan efisiensi tersebut
disebabkan oleh pemanfaatan panas dan
penggunaan konsentrasi, tegangan dan luas
elektoda yang mendekati nilai optimum.
Pada rpm rendah tidak ada produksi gas
maupun uap air. Hal ini disebabkan oleh
rangkaian cut off iddle yang memutuskan arus
pada frekuensi rendah. Kemampuan produksi gas
dibagi pada rentang yang cukup besar yaitu
sampai dengan 6000 rpm sehingga gradient
kemiringan lebih landai. Mengingat operasional
mesin pada kisaran 2500 rpm maka sistem kontrol
diseting ulang. Gambar 4 menunjukkan respon
sistem terhadap putaran mesin.
Gambar 2 Bentuk Sistem Konsep IV
PENGUJIAN
Untuk
mengetahui
karakteristik
sistem
elektrolisa air dilakukan pengujian tentang pengaruh
variasi dari beberapa variabel terhadap keluaran
hidrogen, oksigen maupun kandungan air. Variabel
yang divariasikan adalah tegangan listrik elektroda,
konsentrasi katalis, luas permukaan elektroda dan
temperatur cairan elektrolisis. Respon kontrol arus
pada sistem elektroliser dibandingkan dengan target
kontrol yang ingin dicapai agar dapat dilakukan
pengaturan arus listrik yang lebih tepat.
7
6
5
4
3
2
1
0
99
0
15
00
19
80
25
50
30
00
34
50
39
00
45
00
48
00
54
00
60
00
produksi gas ml/det
ANALISA HASIL
Besarnya produksi gas sangat tergantung pada
tegangan kerja, arus listrik, luas elektroda dan
temperatur. Kenaikan temperatur dapat berasal dari
sistem elektroliser sendiri maupun dari luar
misalnya panas mesin. Penggunaan daya listrik 72
Watt menghasilkan volume hidrogen 5,9 ml/det
atau setara dengan massa hidrogen 0,527 mg. Jika
diambil rata-rata kecepatan kendaraan adalah 60
km/jam dan konsumsi bahan bakar 1 liter setiap 12
km, maka laju bahan bakar setiap detik adalah:
1.389 ml / det. atau sama dengan 1 gr/det. Oleh
karena kemampuan elektroliser hanya dapat
menghasilkan hidrogen sebesar 0,527 mg / det. pada
konsumsi daya listrik 72 Watt , maka sangat kecil
kemungkinannya untuk dapat menaikkan tingkat
oktan bahan bakar maupun menambah nilai kalor
yang memberikan efek signifikan terhadap
peningkatan unjuk kerja.
Selain gas H2 dan O2 elektrolisis air juga
mengalirkan butiran air dengan laju 0,0274 g/det.
Torsi terbaik mesin adalah pada rasio Udara-Bahan
bakar (AFR) sebesar 12,5 : 1. Kerugian dari kondisi
rasio ini adalah boros bahan bakar, kenaikan emisi
CO dan HC. Agar tidak terjadi pemborosan dan
penurunan kualitas emisi maka bahan bakar tetap
pada rasio target sebesar 14,7 : 1 dan ditambahkan
air sebagai pengganti untuk mencapai perbandingan
12,5 : 1, sehingga dibutuhkan tambahan 0,176 gram
air per detik. Dari sistem brown gas yang dibuat
menghasilkan laju air 0,0274 gram/detik dapat
menyumbangkan hampir 1/6 kebutuhan tambahan
putaran (rpm)
Gambar 4. Grafik Laju Gas terhadap RPM
Konsumsi bahan bakar tergantung pada nilai
rpm dan beban kendaraan. Kemampuan alat dapat
mensuplai 1/6 kebutuhan air untuk mencapai rasio
best power. Jika digunakan kemampuan
maksimumnya, yaitu produksi gas langsung
disuplai 6,5 ml beserta 27,4 mg air yang ikut
terbawa maka kondisi kerja yang dapat dicapai
adalah peningkatan torsi. Kenaikan torsi terbesar
adalah pada putaran 1000 rpm karena nilai AFR
seolah-olah telah bergeser sebesar: 12,5 : 1,
sedangkan kenaikan rpm menyebabkan rasionya
semakin membesar mendekati nilai standard 14.7
: 1. Gambar 5 menunjukkan perlunya seting ulang
dari sistem kontroler agar pemanfaatan brown gas
mendekati optimum.
3
tambahan air (g/det)
belum stabil. Alat yang dirancang hanya
memenuhi 1 6 dari target kontrol pada kondisi
best power akan tetapi sudah mampu menghindari
resiko adanya air yang terlalu banyak pada ruang
bakar terutama pada putaran mesin rendah.
Kontroler juga dilengkapi pengaturan jumlah
produksi gas atau konsumsi daya listrik, sehingga
dapat menyesuaikan dengan kapasitas silinder
mesin atau kemampuan suplai batrei.
Kandungan gas dari sistem brown gas yang
berperan dalam meningkatkan kinerja mesin
adalah dengan adanya molekul air yang tercampur
secara homogen pada produksi gas hidrogen dan
oksigen. Air tersebut dapat menggantikan peran
fluida kerja dari bahan bakar pada kondisi
pembakaran kearah rich (best power dengan AFR
12,5 : 1). Adanya air mampu menurunkan suhu
mesin sehingga mengurangi reaksi terbentuknya
NOx, menurunkan CO dan HC.
120
100
maksimum
80
60
40
target
alat
20
0
0
1000
2000
3000
4000
putaran (rpm)
tambahan air (mg/det)
Gambar 5. Grafik Tambahan Air Target dan
Capaian Alat
Dari kemampuan produksi gas yang terbatas
tidak memungkinkan untuk mensuplai semua
kebutuhan brown gas pada berbagai putaran mesin,
sehingga perlu dilakukan seting ulang gradien dari
produksi gas terhadap putaran mesin. Gradien
kemiringan produksi gas target terhadap putaran
mesin adalah 0,03 mg/det.rpm. Produksi air oleh
brown gas adalah 4.2 g/det pada rpm 990 rpm dan
27,4 mg/det pada rpm 6000. Maka perlu
menurunkan rpm tertinggi menjadi 1763 rpm.
Sehingga diatas rpm tersebut laju produksi gas
elektrolisis adalah konstan 6,5 ml/det dan laju air
yang ikut serta sebesar 27,4 mg/det.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Horng RF, Chang YP, Huang HH, Lai MP.
Driving characteristics of a motorcycle
fuelled with hydrogen-rich gas produced by
an onboard plasma reformer. Int J Hydrogen
Energy; 33: 7619–7629, 2008.
[2] Suzuki T, Sakurai Y. Effect of hydrogen rich
gas and gasoline mixed combustion on spark
ignition engine. SAE paper no. 2006-013379; 2006.
[3] Goldwitz JA, Heywood JB. Combustion
optimization in a hydrogen-enhanced leanburn SI engine. SAE paper no. 01-0251; 2005
[4] Verhelst S, Sierens R. Aspects concerning the
optimisation of a hydrogen fueled engine. Int
J Hydrogen Energy; 26: 981–5, 2005.
[5] LIPI, Pengujian Water and Air Injection, Lab
Motor Bakar LIPI, 2008
[6] Lanzafame R. Water injection effects in a
single-cylinder CFR engine. SAE Int.
Congress and exposition Detroit, Micigan
1999
[7] Dan Labonte, Water Injection for Gasoline
Engines, Labonte MotorSports
[8] Christoper J. Chadwell, Philip J. B. Dingle.
Effect of diesel and water co-injection with
real time control on diesel engine
performance and emissions. SAE Int. World
congress, Detroid, Michigan, 2008
[9] Erol Kahramana, S. Cihangir Ozcanlıb, Baris
Ozerdem. An experimental study on
performance and emission characteristics of a
hydrogen fuelled spark ignition engine. Int. J
Hydrogen Energy 32 - 2066 – 2072, 2007
[10]Tully EJ, Heywood JB. Lean-burn
characteristics of a gasoline engine enriched
with hydrogen from a plasmatron fuel
reformer. SAE paper no. 2003-01-0630;
2003.
120
100
80
target
60
40
non kontrol
redesain
20
0
0
1000
2000
3000
4000
putaran mesin (rpm)
Gambar 7. Grafik Tambahan Air terhadap RPM
Gambar grafik diatas juga menunjukkan
karakteristik sistem brown gas tanpa control yang
dapat menyebabkan produksi gas akan dimulai pada
kondisi saklar ignition dinyalakan. Pada kondisi
tersebut putaran mesin masih sangat rendah, tidak
stabil atau bahkan belum berjalan, sehingga sangat
beresiko adanya banyak air dalam silinder blok.
KESIMPULAN
Produksi gas mendekati nilai optimum pada
konsentrasi katalis antara 20% - 40%, tegangan
kerja 1,3 – 3 Volt untuk tiap sel, luas elektroda
mengacu densitas arus kurang dari 0,2 A/cm2 dan
kenaikan temperatur dapat membantu meningkatkan
efisiensi. Hasil produksi gas elektrolisis juga
mengandung air baik dari penguapan maupun
terbawa aliran hidrogen dan oksigen yang terbentuk
dari penguraian air.
Dari parameter diatas telah berhasil dibuat
sistem elektroliser dengan kontrol elektronik
berdasarkan putaran mesin dengan konsumsi daya
listrik bervariasi 0 sampai dengan 93,6 Watt dengan
pengaturan duty cycle PWM pada tegangan kerja 12
Volt. Kemampuan produksi gas 0 sampai dengan 6,5
ml/det dan air yang ikut terbawa 0 sampai 26,7
mg/det. Kontroler juga dapat diseting mulai
memberikan arus listrik pada rpm tertentu sehingga
tidak mengganggu mesin pada saat putarannya
4