Analisa Pengaruh Flywheel dan Firing Order Terhadap Proses Kerja Mesin Diesel

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Vol. 1, No. 1, (2014) Analisa Pengaruh Flywheel dan Firing Order Terhadap Proses Kerja Mesin Diesel Adin Putra Rachmawan, I Made Ariana, Indrajaya Gerianto Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya adinputra2011@gmail.com, ariana@its.ac.id, igerianto@its.ac.id Flywheel (roda gila) merupakan komponen dari mesin yang mampu menyimpan energi kinetik dari gerak rotasi poros engkol dan bertujuan untuk menghasilkan putaran mesin yang stabil. Flywheel atau roda gila dihubungkan pada ujung poros engkol sebuah mesin yang menerima tenaga putar dari piston selama langkah usaha, yang kemudian akan berkurang akibat langkahlangkah lain, inertia loss, dan juga akibat gesekan. Flywheel berfungsi sebagai suatu lumbung penyimpanan energi, yang mana menyimpan energi saat suplai melebihi kebutuhan dan melepaskannya saat suplai lebih kecil dari kebutuhan yang mana juga berguna sebagai kontrol dari terjadinya suatu fluktuasi kecepatan dan mampu mebuat crankshaft berputar secara kontinyu dan terus menerus dan mengakibatkan mesin beroperasi dengan lembut. Urutan pembakaran yang terjadi pada mesin bersilinder jamak disebut sebagai firing order. Pengaturan firing order adalah berdasar dari jumlah silinder pada mesin tersebut dan juga bentuk dari crankshaft mesin yang bersangkutan. Pengaturan firing order dirancang dengan tujuan meminimalisasi Engine Vibration dan Development of back pressure. Kata kunci : Firing Order, fluktuasi kecepatan, flywheel, inersia. I. PENDAHULUAN Berbagai macam jenis mesin digunakan pada ranah teknik permesinan, dimana pada mesin-mesin tersebut sumber energi digunakan dan dikonversikan menjadi kerja yang berguna. Pada beberapa jenis mesin, saat proses kerja berlangsung, fluktuasi energi sering terjadi yang mana menyebabkan fluktuasi pada kecepatan mesin tersebut [1]. Flywheel, atau dalam bahasa Indonesia sering disebut sebagai roda gila, digunakan dengan tujuan sebagai suatu lumbung penyimpanan energi, yang mana menyimpan energi saat suplai melebihi kebutuhan dan melepaskannya saat suplai lebih kecil dari kebutuhan. Flywheel ini juga berguna sebagai kontrol dari terjadinya suatu fluktuasi kecepatan. Mengacu pada kemampuan flywheel untuk menyimpan energi kinetik dari proses rotasi poros engkol, ketidakstabilan putaran crankshaft hampir selalu terjadi. Hal ini dikarenakan kemampuan crankshaft untuk merubah gerak translasi dari sebuah piston menjadi gerak rotasi poros juga mengalami akselerasi sewaktu proses pembakaran dalam silinder liner terjadi. Daya pembakaran yang dihasilkan saat langkah usaha terjadi, disimpan dalam bentuk momen inersia untuk mengcover langkah-langkah selanjutnya yang berlangsung [2]. Energi kinetik pada flywheel dapat ditingkatkan berdasarkan dua variabel, yaitu menambah massa flywheel dan juga mempercepat putaran flywheel itu sendiri. Media penyimpanan energi seperti flywheel lebih dipengaruhi kecepatan putaran daripada massanya. Namun dalam putaran yang sangat tinggi, metal flywheel dapat rusak dengan sendirinya akibat adanya tegangan geser yang berlebih [3]. Dalam mesin bersilinder jamak dikenal istilah firing orer, yaitu urutan terjadinya proses pembakaran dari tiap silinder. Firing order berguna untuk menyelaraskan dan mengoptimalkan langkah kerja yang berlangsung ditiap-tiap silinder. Dengan proses pembakaran yang bergantian dari masing-masing silinder, maka ketidakselarasan yang mengakibatkan getaran yang berlebih pada mesin dapat berkurang [7]. Dan diharapkan dengan analisa pengaruh flywheel dan firing order terhadap proses kerja mesin diesel, dapat diperoleh parameter-parameter yang sesuai untuk diaplikasikan pada mesin diesel reserve engineering. II. METODOLOGI PENELITIAN A. Membongkar dan Mengidentifikasi Mesin Proses pembongkaran dan pengidentifikasian mesin diesel dilakukan untuk mengetahui bentuk dan dimensi dari flywheel. Pembongkaran dilakukan dengan proses melepas tiap-tiap komponen dari casingnya. Setelah flywheel dilepas, kemudian dilakukakan proses pengidentifikasian dan pengukuran. Pengukuran dimensi flywheel dilakukan dengan meteran karena dimensinya yang besar dan juga dengan menggunakan jangka sorong. Beberapa data dari motor diesel yang akan diteliti juga dikumpulkan melalui buku panduan yang tersedia. Data yang bisa dicari dari manual book adalah ukuran utama dari motor diesel seperti bore, stroke, serta data lain seperti compression ratio. Tabel 1. Tabel data awal motor diesel Merek Cummins Model 4BTA3.9-M125 Power 125 bhp pada 2200 rpm Bore x Stroke 102 mm x 120 mm Jumlah silinder 4 Firing order Displacement 3.9 liter Torsi maksimum 475 Nm pada 1500 rpm Rasio kompresi 1 : 16.5 Tekanan kompresi bar

2 JURNAL TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Vol. 1, No. 1, (2014) Tekanan kompresi maks bar (sumber: Cummins 4BTA3.9-M125 Spesification) B. Pengambilan Data Flywheel Pengambilan data dari flywheel yang utamanya adalah berat dan juga diameternya. Namun lebih dari itu juga dilakukan pengukuran detail-detail dari geometri flywheel yang ditujukan untuk proses drawing nantinya. Berikut gambar flywheel dan hasil pengukuran yang dilakukan S Max Tabel 4. Tabel mechanical properties Rm Tensile strength 440 Mpa ReH Min. yield strength MPa A Min. elongation 28 % D. Penggambaran Desain Flywheel Proses penggambaran dilakukan apabila hasil perhitungan sudah memenuhi. Proses redesain ini mengacu pada hasil hitungan apakah sudah sesuai dengan gaya-gaya yang bekerja pada flywheel tersebut. A B Gambar 1. Flywheel Tabel 2. Tabel dimensi flywheel Diameter dalam (A) 70 mm Diameter luar (B) 410 mm Berat 23.4 kg C. Perhitungan dan Analisa Flywheel Proses perhitungan dan analisa flywheel dilakukan dengan data pengukuran dari proses sebelumnya. Dengan berbagai parameter yang didapat tersebut, penyelesaian proses perhitungan dilakukan dengan rumusan-rumusan yang sudah ada sebelumnya yang didapatkan dari buku, paper, e-book, dan juga bantuan dari dosen pembimbing. Analisa flywheel juga menyangkut tentang jenis material yang dipakai sebagai bahan pembuatan flywheel ini. Material yang bersangkutan disertai dengan tabel data mechanical properties dan chemical composition. Berikut jenis material flywheel berserta tabel data mechanical properties dan chemical composition. Material : Cast Iron Grade : DD 11 Standard : EN : 2008 Low carbon steel sheet and strip for colding Classification : Steel Tabel 3. Tabel chemical composition Unsur % C Max Mn Max. 0.6 P Max A. Analisa Flywheel Gambar 2. Flywheel hasil penggambaran III. ANALISA DATA Analisa kali ini dilakukan berdasarkan data-data yang terdapat pada mesin seperti yang ditampilkan pada informasi berikut. Rpm Gambar 3. Grafik rpm vs torsi Torsi (Nm)

3 JURNAL TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Vol. 1, No. 1, (2014) (sumber: Cummins 4BTA3.9-M125 Spesification) = 2 x 3.14 x x watts kw - Daya pada engine P = I x MEP x L x A x z x Rps = 0.5 x MEP x 0.12 x x 4 x MEP = / (0.5 x 0.12 x x 4 x 13.33) MEP bar kpa Rpm Gambar 4. Grafik rpm vs daya Daya (kw) (sumber: Cummins 4BTA3.9-M125 Spesification) 1). Perhitungan kondisi iddle Rpm 800 rpm Input parameter π 3.14 i 0.5 (untuk mesin 4 langkah) L 120 mm = 0.12 m A mm 2 = 0.816m 2 Rpm 800 Rps T 298 Nm (pada 800 rpm) Z 4 (jumlah silinder) - Daya perhitungan berdasarkan torsi pada 800 rpm P = 2 π x Rps x T 2). Perhitungan kondisi maksimum Rpm 2200 rpm Input parameter π 3.14 i 0.5 (untuk mesin 4 langkah) L 120 mm = 0.12 m A mm 2 = m 2 Rpm 2200 Rps T 404 Nm (pada 2200 rpm) Z 4 (jumlah silinder) - Daya perhitungan berdasarkan torsi pada 800 rpm P = 2 π x Rps x T - Daya pada engine P = 2 x 3.14 x x watts kw = I x MEP x L x A x z x Rps = 0.5 x MEP x 0.12 x x 4 x MEP = / (0.5 x 0.12 x x 4 x 13.33) MEP bar kpa Dari perhitungan diatas diambil T 1 = 298 Nm (pada 800 rpm) T 2 = 475 Nm (Pada 1500 rpm) = Nm T Mean 1. Turning Moment Diagram Merupakan diagram yang menggambarkan hubungan antara Torque (T) dan Crank Angle (θ) yang mana menjelaskan nilai torsi yang dihasilkan maupun dibutuhkan pada tiap-tiap langkah yang terjadi yang digambarkan pada sudut dari crank. Pada gambar 4.1 menjelaskan mekanisme silinder-crank yang mengacu pada turning moment diagram pada gambar berikut [4].

4 JURNAL TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Vol. 1, No. 1, (2014) Gambar 5. TMD Motor Bakar 4 Langkah 2. Fluktuasi Energi Perbedaan nilai antara maksimum energy dan minimum energy merupakan fluktuasi energi. Pada gambar 4.4 berikut merupakan turning moment diagram untuk mesin bersilinder jamak. Dimana garis AG merupakan nilai torsi rata-rata yang dihasilkan, sedangkan area-area baik yang berada diatas maupun dibawah garis tersebut (a 1, a 2, a 3, a 4, a 5, a 6 ) merupakan fluktuasi energy yang terjadi. Gambar 6. Turning moment diagram dengan nilai torsi A B C = 298 Nm = Nm = 475 Nm 3. Koefisien Fluktuasi Energi Koefisien fluktuasi energi (C E ) merupakan rasio dari fluktuasi energi maksimum dengan kerja yang terjadi selama satu siklus. Tabel 5. tabel koefisien fluktuasi energi Dimana : T Mean = Torsi rata-rata θ = 4 π ; Untuk mesin 4 langlah P = 125 Hp = Watts sehingga = T Mean x θ = x 4 π = Nm Kemudian C E = Fluktuasi energi maksimum = C E x Work done per cycle = x Nm = Nm 4. Fluktuasi Kecepatan Ketika mesin menghasilkan energy yang lebih besar daripada kebutuhannya,yang ditandai adanya kenaikkan kecepatannya, maka energy tersebut akan tersimpan dalam flywheel, dan dilepaskan kembali ketika produksi energy kurang dari kebutuhan, yang ditandai dengan penurunan kecepatannya. Perubahan kecepatan yang naik turun inilah yang dinamakan dengan fluktuasi kecepatan. Fluktuasi kecepatan terjadi karena adanya penyerapan maupun pelepasan energy yang dilakukan oleh flywheel itu sendiri. Fluktuasi kecepetan maksimum Adalah selisih terbesar yang terjadi antara kecepatan maksimum dengan minimum dari kecepatan rotasi mesin / flywheel Koefisien fluktuasi kecepatan Merupakan rasio dari fluktuasi kecepatan maksimum dengan rata-rata kecepatannya. Diketahui N 1 = kecepatan maksimum N 2 = kecepatan minimum N rata-rata = (N 1 + N 2 ) / 2 ῳ 1 = ῳ 2 = = rad/s = rad/s Dan Koefisien fluktuasi kecepatan (C S )= C E = W = T Mean x θ N 1 N 2 = 2200 rpm = 800 rpm N rata-rata = (N 1 + N 2 ) / 2 = ( ) / 2 = 1500 rpm

5 JURNAL TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Vol. 1, No. 1, (2014) Jadi, C S = = = Berat dan Dimensi Flywheel Dalam mendesain suatu flywheel, hal utama yang harus ditentukan ialah menentukan massa dari flywheel tersebut. Dan untuk mengatasi fluktuasi kecepatan yang terjadi, sangat ditentukan dari penentuan masa flywheel secara tepat, yang kemudian sangat berkolerasi dengan media penyimpan momen, yang dalam hal ini adalah momen inersia. Diketahui: m = massa flywheel (kg) I = momen inersia (kg m 2 ) k = radius of gyration (m) = r / 2-2 (untuk flywheel tipe disk) Sehingga N rata-rata = (N 1 + N 2 ) / 2 C S = atau C S = E k rata-rata = I ῳ 2 E k maks = I ῳ 1 2 E k min = I ῳ 2 2 Fluktuasi energy maksimum E = E 1 - E 2 = ( I ῳ 1 2 ) ( I ῳ 2 2 ) = I (ῳ 1 - ῳ 2 ) (ῳ 1 + ῳ 2 ) = I ῳ (ῳ 1 - ῳ 2 ) [ῳ = ] = I ῳ 2 [ ] = I ῳ 2 C S = m k 2 ῳ 2 C S [ I = mk 2 ] E = 2 E C S (joule or Nm) [ E = I ῳ 2 ] Diameter dalam (A) 70 mm 0.07 m Diameter luar (B) 410 mm 0.41 m Berat 23.4 kg 23.4 kg T1 298 Nm (pada 800 rpm) T2 475 Nm (pada 1500 rpm) TMean Nm (T1 + T2)/2 Momen Inersia I = m x r 2 = 23.4 x (0.205 x 0.205) kgm 2 E1 = 0.5 x I x ω1 2 = 0.5 x x (230.27) 2 = Nm E2 = 0.5 x I x ω2 2 = 0.5 x x (83.73) 2 = Nm Efisiensi Energi pada Flywheel E1 T1 E1 = Nm T1 = 475 Nm Ƞ = ((E1 - T1)/E1) x 100 % = ( )/ = 98.18% E2 T2 E2 = Nm T2 = 298 Nm Ƞ = ((E2 - T2)/E2) x 100 % = ( )/ = 91.36% Gambar 7. Gambaran matematis sebuah flywheel T 1, θ 1 = Input Energi = Percepatan T 0, θ 0 = Output Energi = beban = Penurunan kecepatan Analisa Flywheel B. Analisa Firing Order Tiap-tiap silinder pada mesin pasti mengalami proses pembakaran sebanyak satu kali yaitu saat langkah kerja pada tiap cycle. Dimana pada mesin tipe empat langkah, pembakaran terjadi tiap crankshaft berrotasi sebesar 180 o, dan tiap 120 o pada mesin bersilinder enam, dan seterusnya. Urutan pembakaran yang terjadi pada mesin bersilinder jamak disebut sebagai firing order. Pengaturan firing order adalah berdasar dari jumlah silinder pada mesin tersebut dan juga bentuk dari crankshaft mesin yang bersangkutan. Pengaturan firing order dirancang

6 JURNAL TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Vol. 1, No. 1, (2014) berdasarkan parameter-parameter berikut yang harus dipertimbangkan untuk suatu desain yang optimum, yaitu: Engine Vibrations Engine cooling Development of back pressure Tabel 6. Diagram kerja untuk Firing order Silinder 0 o (TMA) 180 o 360 o 720 o 1 Hisap Kompresi Usaha Buang 2 Kompresi Usaha Buang Hisap 3 Buang Hisap Kompresi Usaha 4 Usaha Buang Hisap Kompresi Tabel 7. Diagram kerja untuk Firing order Silinder 0 o (TMA) 180 o 360 o 720 o 1 Hisap Kompresi Usaha Buang 2 Buang Hisap Kompresi Usaha 3 Kompresi Usaha Buang Hisap 4 Usaha Buang Hisap Kompresi Dari diagaram firing order diatas dapat dilihat bahwa saat silinder 1 pada langkah kompresi, silinder 2 sedang langkah usaha, silinder 3 sedang langkah hisap, silinder 4 sedang langkah buang. Sin 180 o = 0 Saat piston berada pada 90 o sebelum atau sesudah titik mati atas maupun titik mati bawah, posisi piston tidak sejajar dengan connecting rod dan garis tengah dari crankshaftnya maka momen lengan yang dikenakan pada crankshaft adalah sebesar 1 (satu). Sudut sebesar 90 o merupakan simpangan terbesar yang mampu dibentuk oleh crankshaft dan maka dari itu dikenal dengan full crank radius. Sin 90 o = 1 IV. KESIMPULAN Berdasarkan hasil perhitungan matematis yang dilakukan menyatakan bahwa flywheel yang terdapat pada mesin diesel merek Cummins tipe 4 BTA 3.9-M125, faktor-faktor yang mempengaruhi kemampuan flywheel untuk menyimpan sebuah momen adalah massa dari flywheel dan juga bekerja pada berapa putaran rpm flywheel tersebut. Korelasi antara flywheel dan firing order terhadap proses kerja mesin diesel adalah kemampuan flywheel untuk menyerap dan melepaskan suatu energi akibat langkah-langkah yang terjadi dalam proses kerja mesin diesel yang mana mampu meredam suatu getaran torsional akibat fluktuasi energi yang dihasilkan saat langkah penghasil daya berlangsung. UCAPAN TERIMA KASIH Selesainya penelitian ini tidak terlepas dari bantuan banyak pihak yang telah memberikan bantuan dari segi pengetahuan serta beberapa masukan. Gambar 7. Gambaran konfigurasi piston dengan sudut crank Sebuah momen yang dihasilkan akibat daya dari pembakaran di ruang bakar menghasilkan sebuah nilai torsi yang lebih besar dibandingkan torsi rata-ratanya. Diketahui bahwa sebuah momen yang didapat crankshaft dari daya pembakaran adalah sebesar torsi yang dihasilkan dikalikan dengan sudut dari poros engkolnya [7]. Dapat dilihat dari persamaan berikut W = T x θ Saat piston berada pada titik mati atas maupun titik mati bawah, posisi piston sejajar dengan connecting rod dan garis tengah dari crankshaftnya maka momen lengan yang dikenakan pada crankshaft adalah sebesar 0 (nol). DAFTAR PUSTAKA [1] Dangi, Jignesh. Tanpa tahun. Theory of Machine (1MEB25) ; Chapter 11 : Flywheel [2] Dereszewski, M., Charchalis, Adam, Polanowski, Stanislaw. Tanpa tahun. Analysis of Diagnostic Utility of Instantenous Angular Speed Fluctuation of Diesel Engine Crankshaft. Gdynia Maritime University, Faculty of Marine Engineering. [3] Prahasto, Toni., Wikatama, Dema. Tanpa tahun, Optimasi Geometri Rotating Disk Guna Minimasi Tegangan Geser Maksimum dan Tegangan Von-Misses. Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro. [4] Anonim. Tanpa tahun. Theory of Machines ; Chapter 16 Turning Moment Diagram and flywheel. [5] Rodicheva, G., Rodichev, V. Tanpa tahun. Engine Design ; Tractors and Automobiles. Moscow. Mir Publisher. [6] Braker, W. Tanpa tahun. Understanding Flywheel Energy Storage: Does High-Speed Really Imply a Better Design. Austin, Texas. [7] Troy Fesse, P.E., Hill, Charles Guidelines for Preventing Torsional Vibration Problems in Reciprocating Machinery. Engineering Dynamics Incorporated University OAK, San Antonio, Texas. [8] McGraw-Hill Torsional Vibration for Turbo Machinery. [9] Mathew, Michael Design of Flywheel for Improved Energy Storage using Computer Aided Analysis. Department of Mechanical Engineering, National Institute of Technology Rourkela.