PENGARUH PERUBAHAN BENTUK INTAKE MANIFOLD TERHADAP UNJUK KERJA MOTOR DIESEL DENGAN METODE SIMULASI. by : INDRA P.AMBARITA

Transkripsi

1 P3 TUGAS AKHIR PENGARUH PERUBAHAN BENTUK INTAKE MANIFOLD TERHADAP UNJUK KERJA MOTOR DIESEL DENGAN METODE SIMULASI by : INDRA P.AMBARITA Dosen Pembimbing : Semin Sanuri ST. MT Ir. Toni Bambang PGd. TEKNIK SISTEM PERKAPALAN FAKULTAS TEKNOLOGI KELAUTAN INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2010 CHAPTER OUTLINE ABSTRAK I. PENDAHULUAN II. TINJAUAN PUSTAKA III. METODOLOGI IV. ANALISA DAN PEMBAHASAN VI. KESIMPULAN DAN SARAN VII. DAFTAR PUSTAKA 1

2 Abstrak Modifikasi motor diesel didunia otomotif sangat berkembang pesat pada saat ini. Tujuan dari modifikasi tersebut adalah untuk meningkatkan unjuk kerja dari motor diesel sehingga mampu memenuhi kebutuhan energi yang dibutuhkan untuk melakukan usaha. Salah satu komponen mesin diesel yang dapat dimodifikasi adalah Intake Manifold dimana pada intunner pipenya terdapat venturi. Dengan memodifikasi bentuk dan merubah diameter permukaan dalam venturi, maka flow udara yang masuk ke saluran intake (intake manifold) menjadi lebih banyak volume-nya dan lebih cepat suplai udara masuk ke dalam ruang pembakaran. Dengan penambahan volume udara ini, maka kinerja pembakaran akan lebih optimal lagi karena semakin banyaknya oksigen yang membantu pada proses pembakaran (proses pembakaran memerlukan oksigen) dan semakin cepat proses pembakaran terjadi. Dengan modifikasi diameter venturi diharapkan mampu meningkatkan unjuk kerja motor diesel yang akan diuji dengan metode simulasi pada software GT-Power. Hasil simulasi ini nanti akan menunjukkan perubahan unjuk kerja motor diesel yang lebih baik dari sebelumnya yang terlihat dari perubahan BHP (k.w), BMEP (bar), SFC (g/kw.h), Efisiensimekanik (ηm), Effisiensi Volumetrik (ηf), BrakeTorque (T), Tekanan maksimum dalam silinder yang akan dibandingkan pada tiap perubahan RPM dari beberapa model venturi pada simulasi tersebut. Kata kunci : Motor Diesel, Intake Manifold (Venturi), Unjuk Kerja Motor Diesel, GT-Power I. PENDAHULUAN A. Perumusan Masalah Berdasarkan uraian diatas, dapat diambil perumusan masalah dalam penulisan Tugas Akhir ini yaitu : Apakah modifikasi bentuk dengan perubahan diameter intake manifold (Venturi ) memberikan efek terhadap kenaikan performansi engine? B. Batasan Masalah Agar pengerjaan tugas akhir ini tidak terlalu meluas maka diperlukan batasan-batasan masalah agar proses penulisan lebih terarah. Adapun batasan 2

3 c) Analisa perbandingan torsi maksimum, brake mean effective pressure (BMEP) engine diesel, daya maksimum (BHP), konsumsi bahan bakar spesifik (SFC) serta flow fluida dan tekanan pada silinder engine diesel yang dihasilkan sebelum dan setelah modifikasi bentuk dan perbesaran diameter intake manifold (venturi) berdasarkan pada hasil simulasi pada motor diesel Yanmar L 100. d) Variasi perbesaran diameter venturi dilakukan dengan perubahan sudut masuk (inlet angle) dan sudut keluar (out angle ) pada venturi sebesar 25 o,30 o, 40 o,50 o,60 o. e) Performa motor diesel dianalisa berdasarkan variasi iputaran (RPM mesin) i) yakni pada 500,1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500, dan 4000 RPM. C. Tujuan Penulisan Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini berdasarkan uraian diatas adalah : a. Membuat intake manifold baru (Venturi) dengan berbagai bentuk berbeda dan diameter yang bervariasi. b. Menganalisa efek modifikasi manifold intake (Venturi) terhadap performansi diesel engine. D. Manfaat Penulisan Adapun manfaat yang dapat diambil dari penulisan Tugas Akhir ini adalah : a. Menghasilkan intake manifold baru (Venturi) dengan berbagai modifikasi bentuk dan diameter yang lebih bervariasi. b. Memberikan wacana kedepan dalam modifikasi komponen diesel engine jika terbukti perubahan intake manifold (Venturi) dapat memberikan performansi kerja diesel lebih baik. 3

4 II. TINJAUAN PUSTAKA 1. Teori Diesel Engine 2. Teori Aliran fluida 3. Teori Intake manifold (venturi) 4. Spesifikasi bahan bakar 5. Teori perbandingan udara dan bh bahan bk bakar 6. Teori dan rumus performansi Diesel Engine Continue 1. Teori Mesin diesel Karakteristik a) Mesin diesel adalah jenis khusus dari motor bakar dalam b) Karakteristik mesin diesel mesin penyalaan c) Mesin diesel menghasilkan puntiran yang tidak tergantung pada kecepatan mein engine. d) Mesin diesel juga mempunyai effisiensi panas yang lebih dari pada motor bakar lainnya. e) Dengan sedikit bahan bakar untuk setiap penyediaan daya yang sama serta penggunaan bahan bakar yang lebih murah dari pada bensin. 4

5 LANGKAH KERJA DIESEL ENGINE 4 TAK Motor diesel 4 tak melakukan 4 kali langkah torak atau 2 kali putaran poros engkol untuk menyelesaikan 1 siklus, 1 langkah torak adalah menggerakkan torak dari titik mati atas sampai titik mati bawah atau sebaliknya dalam satu siklus terjadi suatu proses isap, kompressi, kerja dan buang. 2. Teori Aliran Fluida Aliran fluida pada umumnya ada 3 yaitu : 1.Laminer NRe < 2000, laminer 2. Transisi 2000 < NRe < 4000, transisi 3. Turbulen 4000 < NRe, turbulen Persamaan Reynold Number : Keterangan : D = diameter pipa penampang V = kecepatan aliran udara ρ = massa jenis fluida µ = kerapatan udara DVρ Re = μ 5

6 3. Teori Intake manifold Venturi Venturi adalah salah satu komponen dari intake manifold yang berfungsi untuk mengatur besar kecil dan cepat tidaknya udara yang masuk ke dalam silinder yang akan digunakan pada pembakaran di dalam ruang bakar engine. Udara dari lingkungan akan masuk melalui intake manifold menuju intrunner pipe yang di dalamnya terdapat venturi yang nantinya akan mengatur pergerakan udara yang masuk kedalam ruang bakar engine. 6

7 4. Spesifikasi bahan bakar solar No Karakteristik Unit Batasan Metode Uji ASTM/lain MIN MAX ASTM IP 1 Angka Setana 45 - D Indeks Setana 48 - D Berat Jenis pada 15 0 C Kg/m D-1298/ D Viskositas pada 40 0 C Mm 2 /sec 2 5 D Kandungan Sulfur % m/m D Distilasi : T 95 0 C D-86 7 Titik Nyala 0 C 60 - D-93 8 Titik Tuang 0 C - 18 D-97 9 Karbon Residu menit - Kelas I D Kandungan Air Mg/kg D Biological Grouth - Nihil 12 Kandungan FAME %v/v Kandungan Metanol&Etanol %v/v Tak Terdetksi D Korosi bilah tembaga Menit - Kelas I D Kandungan Abu %m/m D Kandungan Sedimen %m/m D Bilangan Asam Kuat mgkoh/gr - 0 D Bilangan Asam Total mgkoh/gr D Partikular Mg/l - - D Penampilan Visual - Jernih dan Terang 21 Warna No.ASTM - 3 D Perbandingan udara dan bahan bakar Untuk memperoleh reaksi pembakaran yang baik diperlukan: 1. Perbandingan tertentu antara bahan bakar dengan udara. Tabel 1 ProperCombiningProportionforPerfectCombustion Proportion Perfect Combustion Fuel State Symbol cu ft O2 per cu ft O2 per lb O2 per lb air per cu ft O2 per cu ft air per cu ft fuel cu ft fuel lb fuel lb fuel lb fuel lb fuel Carbon Solid C Hydrogen Gas H Carbon monoxide Gas CO Sulfur Solid S Methane Gas CH Ethane Gas C2H Propane Vapor C3H Butane Vapor C4H Octane Liquid C8H Tabel (Gaseous Fuels, L. Shaidman (Editor), American Gas Association, New York, 1948.) 2. Pencampuran yang baik antara bahan bakar dengan udara. 3. Permulaan dan kelangsungan penyalaan campuran. 7

8 6. Rumus Performansi Motor Diesel a) Brake Torsi dan Daya T = Fb P = b)effisiensi i i Mekanik m& c)fuel air ratio m& a f d) Eff. Volumetrik e) Mean Effective Pressure 2πNT P P b f η m = = 1 P P ig ig 6.28n mep kpa) = V xt( N. m) R ( 3 V d (dm f) Konsumsi Bahan Bakar Spesific dan Effisiensi mf & ( g / s) sfc ( mg / J ) = P( kw ) ) Mulai III. METODOLOGI Identifikasi dan perumusan masalah Study Literature Data Mesin Diesel Tipe L 100 Metode Simulasi Pemodelan Komputer YES Perubahan diameter Venturi Dalam Intake Manifold pipe NO Buku Paper Jurnal Internet t Tugas Akhir Analisa data dengan CFD dan GT Power Kesimpulan Selesai 8

9 IV. ANALISA MASALAH 4. 1 Data data Spesifikasi Mesin Model : Yanmar L 100 Bore : mm Stroke : mm Displacement : cc Compresion ratio : Intake Valve open : 469 CA Exhaust valve open : 191 CA Intake valve open : 361 CA Exhaust valve close : 325 CA Ignition System : Compression Fuel intake system : Direct injection Fuel : Diesel Pada sistem kerja motor diesel yanmar L 100 diperoleh data intake trunner yang belum diberikan venturi yaitu : Panjang intrunner pipe : 100 mm Diameter Inlet pipe : 65 mm Diameter Outlet pipe : 50 mm 9

10 4.2 Pembuatan model Venturi Perbesaran diameter venturi dilakukan dengan melakukan variasi sudut ilet (inlet angle) dan outlet venturi (outlt angle) sehingga aliran udara yang masuk melalui venturi bervariasi. Variasi sudut venturi yang dilakukan adalah sebesar 25 o,30 o,40 o, 50 o dan 60 o. Ada 3 alternatif perubahan diameter venturi yang dilakukan yaitu : 1. Perbesaran diameter venturi dengan variasi inlet angle. 2. Perbesaran diameter venturi dengan variasi outlet angle. 3. Perbesaran diameter venturi dengan variasi inlet dan outlet angle. 1. Perbesaran diameter venturi dengan variasi inlet angle 25 o, 30 o, 40 o, 50 o dan 60 o 2. Perbesaran diameter venturi dengan variasi outlet angle 25o, 30 o, 40 o, 50 o dan 60 o 10

11 3. Variasi perbesaran diameter inlet dan outlet Venturi Diameter model-model venturi 4.3 Analisa Flow fluida Venturi dan Performansi Motor Diesel Analisa Flow fluida pada variasi inlet dan otlet angle venturi. Dengan melakukan pemodelan venturi dengan melakukan perubahan inlet dan outlet venturi dengan autocad 2007 diperoleh dimensi diameter Venturi dan dilakukan convert dari aoto cad ke CFD. Analisa ini dilakukan pada velocity udara awal pada intake manifold 16 m/s pada 3500 rpm dengan temperature udara 239K dan tekanan 1 atm. Dari analisa inlet dan outlet venturi diperoleh grafik velocity, different pressure dan turbulan kinetic energy. 11

12 Adapun hasil analisis CFD dapat ditampilkan pada Gambar dibawah ini : Hasil Analisa Meshing Venturi Adapun hasil analisis CFD dapat ditampilkan pada grafik dibawah ini : A. Pengaruh perbesaran inlet angle pada venturi Maximum Velocity in Venturi vs. Inlet Angle Maximum Velocity in Venturi vs. Inlet Angle 12

13 Pressure Difference in Venturi vs. Inlet Angle Pembahasan : Grafik diatas menampilkan bahwa pressure pada inlet venturi lebih tinggi dibandingkan dengan outlet. Perbedaan tekanan di awal dan akhir venturi adalah 3300 Pa pada 30 angle, 2350 Pa pada 40 angle, 6050 pada 50 angle and 5260 Pa pada 60 angle inlet. Turbulent kinetic energy, memiliki nilai yang paling kecil pada pusat venturi. Efek aliran turbulent venturi terbesar terdapat pada model venturi 60 inlet angle. Dan nilai velocity terendah pada inlet angle 60. Dengan velocity yang lebih rendah, perbedaan tekanan yang tinggi dan turbulen kinetic energy yang lebih tinggi dalam venturi menghasilkan kinerja motor diesel yang lebih baik. Kecepatan rendah menyediakan waktu untuk memasukkan banyak udara dan melakukan percampuran dengan fuel lebih baik. Sebuah kecepatan yang lebih rendah dari campuran, perbedaan tekanan yang lebih tinggi dan lebih tinggi bergolak efek dalam venturi dapat menghasilkan kinerja venturir lebih tinggi. kecepatan rendah menyediakan, perbedaan tekanan yang tinggi bisa menarik aliran massa total yang lebih tinggi dan pengaruh turbulen tinggi memberikan kualitas yang lebih baik pencampuran. Dilihat dari sini, kesimpulan dapat ditarik bahwa venturi dengan inlet angle 60 sudut akan memberikan kinerja tertinggi campuran pencampuran, sehingga meningkatkan mesin kinerja. 13

14 B. Pengaruh perbesaran outled angle pada venturi Pressure Difference in Venturi vs. Outlet Angle Turbulent Kinetic Energy vs. Outlet Angle Maximum Velocity in Venturi vs. Outlet Angle 14

15 Pembahasan Kecepatan aliran campuran melalui inlet venturi ke outlet dengan nilai maksimum 273,9 m / s di venturi untuk masuk sudut 25 seperti ditunjukkan pada tekanan di outlet venturi cukup tinggi daripada inlet kondisi untuk semua empat kombinasi venturi. Perbedaan tekanan pada awal dan akhir venturi itu dicatat sebagai Pa untuk outlet angle 20, Pa untuk outlet angle 30, Pa untuk outlet angle 40, Pa untuk outlet angle 50 dan Pa untuk outlet angle 60. Adapun energi kinetik turbulen, itu sebesar nilai terendah di pusat venturi tersebut. Efek turbulent terjadi pada venturi dinding dengan sudut 50 memiliki energi kinetik turbulen yang relatif lebih tinggi dibandingkan dengan venturi lain sedangkan efek turbulen di bagian outlet angle 25 lebih rendah dengan kecepatan lebih tinggi. Kesimpulan Sementara : Dengan melihat kesimpulan diatas maka dapat ditarik kesimpulan sementara bahwa jika dilakukan kombinasi antara inlet angle 60 dan outlet angle 25 akan menghasilkan aliran fluida yang cepat dan suplai fluida yang banyak pada proses pembakan fuel dalam ruang bakar mesin sehingga dapat menghasilkan performansi kerja mesin yang semakin tinggi Analisa Performansi Motor Diesel dengan Perbesaran Venturi Langkah pemodelan GT -Power 15

16 Gambar Nama Keterangan New Membuat model simulasi GT- POST yang baru Membuat Model GT-ISE Baru Open Tile With Template Library Membuka file GT-POST yang sebelumnya sudah tersimpan Menampilkan kolom Library pada layar Open Setup Run Untuk membuka Run Setup Open Output Setup Open Setup Run Simulation Case Halt / Suspend Simulation Open POST GT- Create Part (ctrl + 2) Create Links (ctrl + 3) Untuk membuka output setup Untuk membuka case setup Untuk menjalankan model yang sudah selesai dibuat Untuk menghentikan / menunda jalannya simulasi model Untuk membuka GT-POST setelah model selesai dijalankan Untuk membuat (mengcopy) komponen model Untuk menyambungkan antara masing-masing komponen model Flow Folder: EndEnvironment EngCylinder Pipe InjAF-RatioConn InjProfileConn OrificeConn - def (object) OrificeConn bellmouth (object) ValveCamConn FPropGas - indolene-vap (object) FPropGas - diesel-vap (object) FPropGas - n2-vap (object) FPropGas - o2-vap (object) FPropLiqIncomp - indolene-combust (object) FPropLiqIncomp - diesel2-combust (object) FPropMixtureCombust - air (object) Mech Folder: EngineCrankTrain Tampilan Jendela Baru GT-Power 16

17 Atribut Properti Menghubungkan Komponen Sebelum dimodifikasi 17