JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN:

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: Perancangan Sistem Pemasukan Bahan Bakar secara Injeksi Langsung (Direct Injection) pada Mesin Sinjai 650cc dan Pengaruh Rasio Kompresi terhadap Unjuk Kerja Muhammad Adi dan Bambang Sudarmanta Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Insustri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Indonesia sudarmantaa@me.its.ac.id Abstrak - Kebutuhan akan penggunaan minyak bumi (gasoline) sebagai bahan bakar utama pada mesin spark ignition engine (SIE) semakin besar. Oleh karena itu berbagai macam penelitian dilakukan pada sistem pemasukan bahan bakar dengan tujuan untuk mengurangi konsumsi bahan bakar sehingga lebih efisien, dan lebih ramah lingkungan. Salah satunya adalah dengan menggunakan sistem pemasukan bahan bakar secara langsung (gasoline direct injection). Gasoline direct injection (GDI) adalah sistem injeksi bahan bakar secara langsung ke dalam ruang bakar motor bensin yang salah satu keunggulannya adalah memungkinkan didapatkannya charge cooling effect (efek pendinginan campuran) sehingga dapat mengurangi terjadinya knocking dan meningkatkan effisiensi volumetric. Pada penelitian ini dilakukan perancangan dan pengujian sistem GDI menggunakan uji eksperimen dan simulasi kemudian dibandingkan dengan sistem port injection dengan tujuan untuk mengetahui nilai unjuk kerja masingmasing sistem. Dari perancangan dan penelitian ini didapatkan pemodelan mesin SINJAI 650cc dengan sistem pemasukan bahan bakar secara direct injection yang menghasilkan unjuk kerja lebih baik dari pada mesin SINJAI 650cc dengan sistem pemasukan bahan bakar secara port injection, baik secara eksperimen maupun simulasi. Dari hasil simulasi pada sistem direct injection dihasilkan daya maksimal sebesar 26.33kW pada 7000rpm, torsi maksimal sebesar 48.27Nm pada 3000 rpm, bmep maksimal sebesar 9,42bar pada 3000rpm, sfc minimun sebesar 251,49g/kW.jam pada 3000rpm, effisiensi thermal sebesar 32,03% pada 3000rpm. sedangkan pada sistem port injection dihasilkan daya maksimal sebesar 22.60kW pada 7000rpm, torsi maksimal sebesar 43.26Nm pada 3000 rpm, bmep maksimal sebesar 8.44bar pada 3000rpm, sfc minimun sebesar 282,78g/kW.jam pada 3000rpm, effisiensi thermal sebesar 28.49% pada 3000rpm. Kata kunci : mesin, gasoline, port injection, direct injection, simulation. I. PENDAHULUAN enyataan yang terjadi pada era perkembangan IPTEK Kyang begitu pesatnya, masyarakat tidak lepas dari bahan bakar terutama bahan bakar fosil. Hal ini dikarenakan pembakaran bahan bakar fosil merupakan sumber penghasil energi utama pada industri, transportasi dan juga rumah tangga.namun sumber energi fosil mempunyai keterbatasan jumlah. Hal ini yang mendorong dilakukannya penelitian untuk menghemat bahan bakar fosil khususnya gasoline. Pengembangan pada cara kerja mesin empat langkah yang dirancang untuk menginjeksikan bahan bakar bensin langsung ke dalam ruang pembakaran, merupakan suatu capaian penting pada industri otomotif. Potensi termodinamika pada cara kerja tersebut, secara signifikan meningkatkan nilai ekonomis dari bahan bakar, respon dan tingkat emisi hidrokarbon saat kondisi penyalaan dingin. Telah dilakukan berbagai pengembangan dan penelitian yang bertujuan untuk mengoptimasi pemasukan bahan bakar secara direct injection (GDI) [1]. Penelitian ini mengenai proses injeksi bahan bakar, homogenisasi campuran, dan kontrol pada kondisi udara di ruang bakar. Teknologi terbaru seperti high pressure, common rail, sistem injeksi bensin, dan swirl atomizing juga diteliti secara detail dengan metode komputasi. Serta ditemukan penyempuranaan dari teknologi sebelumnya, yakni direct injection stratifiedcharge (DISC) pada mesin bensin, Prioritas utama dari sistem DISC yang relevan dengan gasoline direct injection (GDI) yang sedang dikembangkan, juga diteliti secara lebih lanjut. Gasoline Direct Injection (GDI) adalah sistem injeksi bahan bakar secara langsung ke dalam ruang bakar motor bensin yang salah satu keunggulannya adalah memungkinkan didapatkannya charge cooling effect, sehingga dapat mengurangi terjadinya knocking dan meningkatkan effisiensi volumetris. Saat ini sistem injeksi GDI banyak digunakan secara komersial pada motor bensin empat-langkah dan terbukti mampu memberikan performa yang lebih baik terkait dengan konsumsi bahan bakar dan emisi gas buang. Semua penelitian dalam bentuk prototipe dan produksi GDI di seluruh dunia, ditujukan untuk peningkatan performa kerja, efisiensi bahan bakar serta poin-poin yang memerlukan pengembangan lebih lanjut. Skema mesin, kompilasi diagram kontrol dan spesifikasi engine dan strategi pengendalian emisi diilustrasikan. Pengaruh katalis lean-nox pada pengembangan akhir injection, stratifiedbiaya mesin GDI, manfaat relatif dari lean-burn dan homogen mesin direct injection sebagai pilihan yang membutuhkan kompleksitas analisis kontrol. Semua informasi terkini digunakan sebagai dasar untuk membahas perkembangan gasoline direct injection engine. Pada penelitian ini didapatkan rancangan engine Sinjai 650cc dengan sistem GDI, dan juga hasil perbandingan unjuk kerja dari sistem GDI dan port injection, serta

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: pengaruh rasio kompresi terhadap unjuk kerja engine Sinjai 650cc. II. METODOLOGI PENELITIAN Tahapan pelaksanaan penelitian ini adalah sebagai berikut: Tahap pertama adalah studi literatur tentang pengembangan sistem injeksi langsung pada engine berbahan bakar bensin (gasoline direct injection), serta mencari kelebihan dan kekurangannya. Tahap kedua adalah perancangan sistem injeksi langsung hingga proses pembuatan dan perakitan ke engine SINJAI. Tahap ketiga adalah pengujian engine SINJAI (Eksperiment dan Simulasi) dengan sistem injeksi langsung. Pengujian dilakukan untuk mendapatkan data putaran, torsi dan konsumsi bahan bakar. Tahap keempat adalah komparasi unjuk kerja antara sistem injeksi langsung dan injeksi tidak langsung hasil eksperimen dan simulasi.. Untuk perancangan dilakukan dengan tahapan sebagai berikut Pembuatan 3D drawing untuk masing-masing komponen sistem GDI yang dimaksudkan agar mempermudah proses perancangan masing-masing komponen segingga didapatkan kompronen yang presisi, mudah untuk dirakit, dan dapat berfungsi sebagaimana mestinya. Adapun rancangan komponen sistem GDI adalah sebagai berikut: A. Studi Literatur Perkembangan Kendaraan Roda Tiga sistem injeksi langsung ke dalam ruang pembakaran, di kenal dengan sistem gasoline direct injection (GDI) pada awal penggunaan sistem injeksi. Pada sistem Otto telah dikembangkan GDI pada PD II yakni dipakai pada berbagai mesin-mesin penggerak untuk pesawat terbang, tetapi dalam perjalanannya suplai bahan bakar sampai injektor masih banyak menggunakan sistem mekanik maka menjadi lebih tidak sederhana seperti yang menggunakan sistem karburator, sehingga di tinggalkan. Penelitian penggunaan GDI lebih lanjut di lakukan setelah banyak mengadopsi yang digunakan pada mesin diesel direct injection. Dengan makin majunya sistem kontrol elektronika maka penggunaan GDI makin nyata. Keuntungan utama dari mesin GDI manaikkan efisiensi bahan bakar dan output daya tinggi. Hal demikian dapat tercapai karena pengontrolan sangat tepat di jumlah pasokan bahan bakar dan waktu pengapian yang tepat. Sebagai tambahan tidak ada kerugian trotling seperti yang terjadi pada sistem karburator dan sistem injeksi yang lain sehingga menaikkan efisiensi mesin secara keseluruhan. Gambar 3. Diagram injeksi secara direct injection [5]. Gambar 1 Posisi cam shaft, cylinder head, dan injector pada sistem GDI B. Spesifikasi Fuel Injection dan Data Hasil Pengukuran Adapun komponen dan spesifikasi yang di gunakan pada perancangan ini adalah diataranya fuel rail, high pressur fuel pump, common rail, injector. Spesifikasi rancangan sistem pemasukan bahan bakar dengan metode injeksi langsung (GDI) menggunakan beberapa komponen sebagai berikut: a. Fuel rail Gambar 2 Skema sistem pemasukan bahan bakar pada sistem GDI Penentuan make or buy decision, atau mengkaji komponen mana saja yang harus dibuat dan komponen mana saja yang harus dibeli. Hal ini dimaksudkan untuk mempermudah proses perakitan dan meminimalkan biaya. Manufacturing dan pengadaan komponen. Perakitan Gambar 4. Fuel Rail bahan: seamless steel tubes panjang: 60 cm diameter: 0.65 cm tebal: 0,16 cm berat: 200 g pressure resistant: bar b. High pressure fuel pump

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: Gambar 5. High pressure fuel pump bahan: stainless steel tekanan optimum: 200 bar Low weight : 780 g (Zero evaporation (ZEVAP) capable) c. Common rail bahan: Billet Aluminum diameter: 21,45 mm panjang: 34 0 mm voleme: cm3 tekanan: bar d. Injector Gambar 6. Common Rail Gambar 7. Injector System pressure : 20 Mpa Flow rate : 22.5 cm3/s at Mpa Leakage : < 2.5 mm3/min at MPa Hole: 6 hole with D = 0.2 mm D. Prosedur Pengujian Engine SINJAI 1. Pengujian dengan Eksperimen Adapun pengujian eksperimen dilakukan pada engine SINJAI dengan kondisi standard yang pemasukan bahan bakarnya adalah port injection, adapun prosedur pengujiannya adalah sebagai berikut: 1. Menghidupkan mesin bensin SINJAI pada putaran idle (± 950 rpm) selama menit untuk mencapai kondisi steady state atau stasioner. 2. Membuka katub kupu-kupu hingga terbuka penuh (full open throttle). Pada kondisi ini putaran mesin sebesar 5000 rpm dan merupakan putaran maksimum dari mesin SINJAI. Selama putaran maksimum, beban air tidak dialirkan ke waterbrake dynamometer. 3. Beban air dialirkan ke waterbrake dynamometer sehingga putaran mesin akan turun sampai 5000 rpm. 4. Jika putaran mesin sudah stabil maka pencatatan data dapat dilakukan meliputi data putaran mesin (rpm), torsi (Lbf.ft), waktu konsumsi 25 ml bahan bakar premium (sekon), emisi CO (% volume), ), emisi CO 2 (% volume), emisi HC (ppm volume), lamda (λ), temperatur gas buang ( o C), temperatur head ( o C), dan temperatur oli ( o C). 5. Setelah pengambilan data selesai, beban air yang dialirkan ditambahkan ke waterbrake dynamometer sehingga putaran mesin akan turun. Putaran mesin diturunkan menjadi beberapa tahap yaitu 5000 rpm, 4500 rpm, 4000 rpm, 3500 rpm, 3000 rpm, 2500 rpm, dan 2000 rpmdengan cara mengontrol aliran air yang melewati waterbrake dynamometer. Pada setiap tahap penurunan putaran mesin dilakukan pencatatan data seperti pada poin 4 (empat). Dan harus diingat bahwa pencatan data dilakukan pada saat putaran mesin dalam kondisi stabil. 2. Pengujian dengan simulasi Sedangkan pengujian simulasi di lakukan pada engine SINJAI dengan sistem pemasukan bahan bakar secara port dan direct injection, adpaun simulasi menggunakan sofware LOTUS ENGINE SIMULATION(LES) Adapun prosedur pengujiannya adalah sebagai berikut: 1. Memasukkan komponen cylinder kedalam main windows Lotus Engine Simulation (LES) kemudian memasukkan data input seperti bore (mm), stroke (mm), Con-rod Length (mm), Pin Off-Set (mm), Compression Ratio, combustion model. C. Pengujian Engine SINJAI Adapun pengujian yang dilakukan pada penelitian ini adalah dengan melakukan pengujian dengan dua metode yaitu eksperimen dan simulasi,pengujian dengan eksperimen di lakukan pada engine Sinjai yang pemasukan bahan bakarnya adalah port injection, sedangkan pebgujian dengan simulasi dilakukan pada engine Sinjai yang pemasukan bahan bakarnya langsung (GDI) dan tidak langsung (FPI) dengan sofware LOTUS ENGINE SIMULATION. Gambar 8. Simbol cylinder pada LES 2. Memasukkan komponen intake dan exhaust valve kedalam main windows LES kemudian memasukkan data input seperti valve open (deg), valve close (deg), dwell at max (deg), dan max lift (mm).

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: Gambar 9. Simbol intake and exhaust valve pada LES 3. Memasukkan komponen intake dan exhaust port kedalam main windows LES kemudian memasukkan data input seperti valve throat diameter (mm). Gambar 14. Simbol bend pipe pada LES 8. Memasukkan komponen default inlet dan exit kedalam main windows LES, pilih boundary data kemudian memasukkan nilai tekanan dan temperatur ambient pada setiap putaran engine. Gambar 15. Simbol default inlet and exit pada LES Gambar. Simbol intake and exhaust port pada LES 4. Memasukkan komponen intake dan exhaust plenum kedalam main windows LES kemudian memasukkan data input seperti volume (litres), surface area (mm2), dan wall temperature ( C). 9. Memilih komponen bahan bakar pada main windows LES, kemudian untuk merubah data input dari bahan bakar dipilih fuel type, user defined. Masukkan data input bahan bakar seperti calorific value (kj/kg), density (lg/litre), H/C ratio fuel (molar), Gambar 16. Simbol bahan bakar pada LES. Untuk memilih data steady state maka dipilih data, test conditions, steady state create wizard. Kemudian memasukkan data inputan seperti ambient air pressure (bar abs), ambient air temperature (C), inlet pressure (bar abs), Gambar 11. Simbol intake and exhaust plenum pada LES 5. Memasukkan komponen intake throttle kedalam main windows LES kemudian memilih throttle type yang akan disimulasikan, dalam hal ini digunakan type butterfly. Kemudian memasukkan data input seperti throttle diameter (mm), closed angle (deg), throttle angle (deg), dan spindle diameter (mm). Gambar 12. Simbol intake throttle pada LES 6. Memasukkan komponen pipa kedalam main windows LES kemudian memasukkan data input seperti total length (mm), start diameter (mm), end diameter (mm), wall material. Gambar 13. Simbol straight pipe pada LES 7. Memasukkan komponen bend pipe kedalam main windows LES kemudian memasukkan data input seperti total length (mm), start diameter (mm), end diameter (mm), bend angle (deg), bend radius (deg) dan wall thickness (mm). III. HASIL DAN DISKUSI A. Analisis Grafik Daya vs Putaran Daya yang dihasilkan oleh motor pembakaran dalam ada 3 jenis, yaitu indicative horse power (ihp), brake horse power (bhp), dan friction horse power (fhp).pada putaran rendah, fhp relatif rendah dan akan semakin tinggi ketika putaran mesin semakin tinggi. Secara teoritis, ketika putaran mesin meningkat, maka daya motor juga akan meningkat karena daya merupakan perkalian antara torsi dengan putaran poros. Daya(kW) Daya Port Injection vs Putaran 15 port eksperimen port simulasi Putaran(RPM) Gambar 17. Grafik Daya hasil simulasi dan eksperimen port

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: Grafik Daya vs Putaran 11 Grafik BMEP vs Putaran Daya (kw) 20 0 Gambar 18. Grafik Daya hasil simulasi GDI Port BMEP (bar) Gambar 21. Grafik Bmep hasil simulasi GDI Port Daya (kw) Grafik Daya vs Putaran Gambar 19. Grafik Daya hasil simulasi dengan variasi rasio kompresi pada engine sinjai 650 cc Injection Semakin cepat putaran mesin, maka putaran poros juga akan semakin cepat. Akan tetapi, pada putaran tertentu, torsi dan friksi yang terjadi lebih besar daripada kenaikan putaran yang terjadi sehingga daya justru akan turun. Pada grafik daya efektif fungsi rpm didapat daya effektif pada pemasukan bahan bakar port injection hasil simulasi mengalami kenaikan rata-rata sebesar 19.26% di bandingkan port injection hasil ekperimen. Hal ini di sebabkan karna pada port hasil simulasi di kondisikan dalam keadaan steady. B. Analisis Grafik Bmep vs Putaran Cr 9 CR 9.5 CR CR.5 CR 11 CR 11.5 CR 12 Besarnya tekanan yang dialami piston berubah-ubah sepanjang langkah piston tersebut. Bila diambil tekanan yang berharga konstan yang bekerja pada piston dan menghasilkan kerja yang sama, maka tekanan tersebut merupakan tekanan efektif rata-rata piston. Bmep(Bar) Bmep Port Injection vs Putaran port eksperimen port simulasi Putaran(RPM) Gambar 20. Grafik Bmep hasil eksperimen Port Injection Grafik BMEP vs Putaran Cr CR CR 6 CR.5 CR 11 Gambar 21. Grafik Bmep hasil simulasi dengan variasi rasio kompresi pada engine sinjai 650 cc BMEP (bar) Tekanan efektif rata-rata piston dipengaruhi oleh waktu pengapian dari busi dan besarnya campuran bahan bakar dengan udara. Apabila waktu pengapian itu tidak tepat, maka tekanan piston akan menurun. Begitu juga dengan campuran bahan bakar dan udaranya. Apabila campuran bahan bakar dan udaranya sesuai dengan stoikiometri maka proses pembakarannya akan bagus sehingga didapat tekanan yang maksimal. Sedangkan apabila campuran bahan bakar dan udaranya kaya maka menyebabkan proses pembakaran yang lambat sehingga pada saat terjadi tekanan maksimalnya, piston sudah melakukan langkah ekspansi. Pada grafik bmep fungsi rpm diatas. Bmep port injection hasil simulasi mengalami kenaikan rata-rata sebesar 9.6% dari port injection hasil eksperimen, Hal ini di sebabkan karna pada port hasil simulasi di kondisikan dalam keadaan steady sehingga menghasilkan Bmep yang lebih tinggi di bandingkan eksperimen. C. Analisis Grafik Sfc vs Putaran Konsumsi bahan bakar spesifik dapat didefinisikan sebagai laju aliran bahan bakar untuk memperoleh daya efektif. Besar kecilnya konsumsi bahan bakar spesifik (sfc) tergantung dari sempurna atau tidaknya campuran udara dan bahan bakar yang terbakar dalam ruang bakar. Dengan semakin sempurnanya pembakaran, maka daya yang dihasilkan akan semakin besar. Mesin yang digunakan menggunakan teknologi elektronik yang memiliki sensor debit udara yang melewati throttle body sehingga laju aliran bahan bakar akan cenderung tetap, Jadi faktor yang akan mempengaruhi konsumsi bahan bakar spesifik adalah besarnya daya yang dihasilkan.

6 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 2, (2012) ISSN: Secara umum konsumsi bahan bakar spesifik pada saat putaran mesin rendah ke putaran mesin tinggi akan mengalami penurunan hingga pada putaran mesin tertentu akan meningkat lagi. Hal ini disebabkan semakin tinggi putaran mesin maka turbulensi aliran juga akan semakin besar sehingga membentuk homogenitas campuran bahan bakar dan udara yang lebih baik dan menghasilkan pembakaran yang lebih sempurna. Lalu pada putaran mesin yang terlalu tinggi, waktu yang digunakan untuk proses pembakarannya akan lebih sedikit yang menyebabkan sebagian bahan bakar tidak bisa terbakar secara sempurna. Sfc Port Injection vs Putaran 350 Sfc(g/kW.jam) Putaran(RPM) Gambar 22.Grafik Sfc hasil eksperimen Port Injection Grafik SFC vs Putaran Gambar 23. Grafik Sfc hasil simulasi Grafik Sfc vs Putaran 325 SFC (g/kw.jam) Sfc (g/kw.jam) port eksperimen port simulasi GDI Port Cr 9 CR 9.5 CR CR.5 CR 11 CR 11.5 CR 12 Gambar 24. Grafik Sfc hasil simulasi dengan variasi rasio kompresi Sesuai dengan uraian diatas bahwa sfc dipengaruhi oleh besarnya daya. Dari grafik sfc fungsi putaran didapat sfc dari port injection hasil simulasi mengalami penurunan ratarata sebesar 6.3% dari port injection hasil eksperimen, Hal ini di sebabkan karna pada port hasil simulasi di kondisikan dalam keadaan steady serta tidak di berikan beban sehingga kebutuhan konsumsi bahan bakar untuk simulasi lebih kecil di banding konsumsi bahan bakar untuk ekperimen. Torsi mengalami kenaikan rata-rata sebesar 7.61 %. Daya mengalami kenaikan rata-rata sebesar 19,26%. Bmep mengalami kenaikan rata-rata sebesar 9,66%. Sfc mengalami penurunan rata-rata 6.37%. Efisiensi thermal mengalami kenaikan rata-rata sebesar 6.11%. 2. Unjuk hasil perbandingan unjuk kerja direct injection dan port injection dari hasil simulasi memberikan hasil sebagai berikut: Torsi mengalami kenaikan rata-rata sebesar %. Daya mengalami kenaikan rata-rata sebesar 14,18%. Bmep mengalami kenaikan rata-rata sebesar 13,22%. Sfc mengalami penurunan rata-rata 11.94%. Efisiensi thermal mengalami kenaikan rata-rata sebesar 13.40%. 3. Dari simulasi sistem GDI dengan variasi rasio kompresi antara 9 hingga 12 dengan kenaikan 0,5 didapatkan hasil sebagai berikut: Torsi paling tinggi didapat pada rasio kompresi 1:12 dengan nilai 50,43Nm pada putaran 3000rpm Daya paling tinggi didapat pada rasio kompresi 1:12 dengan nilai 27,89kW pada putaran 7000rpm Bmep paling tinggi didapat pada rasio kompresi 1:12 dengan nilai 9,84bar pada putaran 3000rpm Sfc paling rendah didapat pada rasio kompresi 1:12 dengan nilai 240,03g/kW.h pada putaran 3000rpm Efisiensi thermal paling tinggi didapat pada rasio kompresi 1:12 dengan nilai 33.53% pada putaran 3000rpm DAFTAR PUSTAKA [1] Zhao F., Lai M.C. dan Harrington D.L Automotive sparkignited direct-injection gasoline engines. Progress in Energy and Combustion Science, 25 (1999) [2] Sungkono, D Motor Bakar Torak (Bensin). Surabaya: ITS Press. [3] Sendyka B. and Noga M., Combustion Process in the Spark-Ignition Engine with Dual-Injection System, <url: [4] Sumarna Nana. Analisis Kinerja Gasoline Direct Injection Engine Pada Kendaraan Otomobil. Bandung: UPI Press. [5] Julian Edgar Direct Petrol Injection, <URL: [6] Ritchie D., Hongming X dan Chongming Wang Combustion performance of 2,5 dimethylfuran blends using dualinjection compared to direct-injection in a SI engine. Applied Energy, 98 (2012) [7] Anon., Volkswagen AG Twin Turbo Charger TSI Engine in Mustafa Bahattin Çelik dan Bulent Ozdalyan. (Ed). Gasoline Direct Injection, Fuel Injection. Turkey : Karabuk University. [8] Batubara,Ahmad Utama Putra. Studi Simulasi Konversi Motor Bakar Otto Menggunakan Bahan Bakar CNG dengan Variasi Air Fuel Ratio dan Ignition Timing. Surabaya: ITS Press. KESIMPULAN/RINGKASAN 1. Unjuk hasil perbandingan unjuk kerja port injection dari hasil simulasi dan ekperimen memberikan hasil sebagai berikut: