PROGRAM STUDI DIII TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2014

Transkripsi

1 KAJIAN NUMERIK PENGARUH VARIASI IGNITION TIMING DAN AFR TERHADAP PERFORMA UNJUK KERJA PADA ENGINE MOTOR TEMPEL EMPAT LANGKAH SATU SILINDER YAMAHA F2.5 MENGGUNAKAN BAHAN BAKAR BENSIN DAN LPG Oleh: Helmi Rizki Ardiliansyah ( ) Dosen Pembimbing : Hendro Nurhadi, Dipl.-Ing., Ph.D. PROGRAM STUDI DIII TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

2 LATAR BELAKANG Konsumsi Bahan Bakar Persentase Penggunaan Minyak Bumi Cadangan Minyak Bumi Motor Tempel Sumber: Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi 2

3 Sumber: Perusahaan Gas Negara 3

4 Jumlah Pengguna Motor Tempel 4

5 Rumusan Masalah Permasalahan yang timbul dalam penelitian ini adalah. Bagaimana performa motor tempel ketika menggunakan bahan bakar bensin dan menggunakan bahan bakar LPG Bagaimana perbandingan unjuk kerja mesin motor tempel menggunakan bahan bakar bensin dibandingkan dengan menggunakan bahan bakar LPG. 5

6 Batasan Masalah Metode simulasi pada Lotus Engine Simulation (LES) disesuaikan dengan standar SAE J 1349 Pengujian dilakukan pada motor tempel bensin 4 langkah 1 silinder merk Yamaha F2.5 Kondisi simulasi unjuk kerja pada Lotus Engine Simulation (LES) adalah wide open throttle tanpa pembebanan Bahan bakar bensin yang digunakan adalah bensin yang diproduksi PERTAMINA Bahan bakar gas LPG yang digunakan adalah gas LPG 3 kg yang diproduksi PERTAMINA. Tidak membahas fluida yang mengalir melalui propeller. Tidak membahas material dari motor tempel Kondisi temperatur udara sekitar dianggap ideal Data diambil pada minimum 250 rpm Tidak melakukan analisa pelumasan Tidak membahas reaksi kimia pada penggunaan bahan bakar solar dan gas LPG 6

7 Tujuan Untuk mengetahui unjuk kerja motor tempel berbahan bakar bensin dan berbahan bakar LPG Mengetahui perbandingan unjuk kerja mesin motor tempel antara menggunakan bahan bakar bensin dengan menggunakan LPG. Manfaat Hasil akhir dari penelitian ini diharapkan menjadi sumber informasi dan ilmu pengetahuan bagi masyarakat umum tentang kelebihan dan kekurangan dari penggunaan bahan bakar bensin dan gas LPG saat digunakan sebagai bahan bakar motor tempel dilihat dari performa unjuk kerjanya. 7

8 Penelitian Terdahulu Bhisma Putra Pratama pada tahun 2012 melakukan kajian eksperimental dengan membandingkan parameter unjuk kerja dari mesin bensin stasioner generator Vorex V cc menggunakan bahan bakar LPG dan biogas dengan metode uji konstan speed 8

9 Dari hasil eksperimental tersebut disimpulkan bahwa : 1. Pada mesin genset empat langkah bisa beroperasi dengan baik ketika menggunakan bahan bakar biogas dengan bantuan penambahan mixer venturi sebagai mekanisme pemasukan dan pencampuran antara udara dengan bahan bakar. Dimana karburator tetap terpasang dengan baik untuk mempermudah starting dengan bensin. 2. Setelah melakukan pengukuran dan analisa perbandingan parameter unjuk kerja, pada konstan speed 2900 rpm pada beban ke 7 nilai effisiensi dengan menggunakan bahan bakar gas LPG adalah 2,15 % sedangkan dengan mengunakan bahan bakar Biogas adalah 3,01%. 9

10 Mulai Metode Penelitian A Studi literatur Observasi lapangan Perbandingan Unjuk Kerja Motot Tempel Berbahan Bakar Bensin dengan LPG Rumusan Masalah Didapat spesifikasi motor tempel Grafik dan Data Simulasi kinerja engine pada Lotus Engine Simulation Apakah Konvergen? Tidak Kesimpulan dan Saran Ya Data Hasil Simulasi Validasi Hasil Simulasi Perhitungan Manual Laporan Akhir Tidak Ok? Ya Grafik dan Data A Selesai Diagram Alir Tugas Akhir 10

11 Spesifikasi Engine Yamaha F2.5 Tipe engine : 4 langkah, 1 silinder, OHV, water-cooled Bore x Stroke : 54 x 31,5 mm Volume langkah: 72 cc Perbandingan kompresi : 9 : 1 Daya maksimum: 1,8 kw/5500 rpm Pemasukan Bahan Bakar : Karburator 11

12 Mulai A B - Parameter input LES hasil pengukuran dan perhitungan - Standar pengujian SAE J Variasi parameter : AFR = 12.5 (1); 14,7 (2); 15,5 (3); 18.5 (4) Ignition timing = -30 (5); -25 (6); -35 (7) Memasukkan komponen inlet dan outlet ke dalam main window Lotus Engine Simulation (LES) Mendefinisikan parameter input utama cyilinder pada Lotus Engine Simulation (LES) Mendefinisikan parameter input fuel pada Lotus Engine Simulation (LES) Memasukkan komponen intake dan exhaust port ke dalam main window Lotus Engine Simulation (LES) Mendefinisikan file description yaitu main tittle, subtittle dan test no Memasukkan komponen intake dan exhaust valve ke dalam main window Lotus Engine Simulation (LES) Mendefinisikan parameter pada steady state testing Memasukkan komponen utama cyilinder ke dalam main window Lotus Engine Simulation (LES) Mengecek dan mengubah (bila perlu) test data summary input yang telah didefinisikan yaitu heat phase, heat period, fuelling, boundary condition, friction, solution, plotting dan actuator Mendefinisikan parameter intake dan exhaust port pada Lotus Engine Simulation (LES) Mencari solusi dari problem yang telah didefinisikan dengan fitur solve control Mendefinisikan parameter intake dan exhaust valve pada Lotus Engine Simulation (LES) Grafik dan Data Tidak A B Ya Diagram Alir Pemodelan dengan Lotus Engine Simulation Selesai 12

13 Mulai Grafik dan Data Perhitungan Brake Power Perhitungan Brake Torque Perhitungan BSFC Perhitungan BEMP Perhitungan Efisiensi Sesuai Hasil Simulasi Tidak Diagram Alir Validasi Hasil Simulasi Selesai Ya 13

14 Sistem Instalasi Simulasi Analisa dan Pembahasan 14

15 Parameter Utama Simulasi Parameter Utama No. Simulasi Nama Simulasi Ignition Timing (Degree BTDC) AFR 1 Gasoline STD 30 14,7 2 LPG STD 30 15,5 3 LPG LPG LPG LPG LPG LPG

16 Data Hasil Simulasi Brake Torque Menggunakan LES RP Gasoline LPG STD LPG 1 LPG 2 LPG 3 LPG 4 LPG 5 LPG 6 M STD

17 Brake Torque Terjadi peningkatan 4,86 % terhadap LPG 1 Penggantian gasoline dengan LPG pada kondisi operasional standar gasoline menghasilkan rata - rata penurunan brake torque sebesar -1,17 % sedangkan brake torque terbaik untuk LPG terjadi pada LPG 1 dengan rata - rata kenaikan +4,86 %. 17

18 Brake Power Terjadi peningkatan 5,06 % terhadap LPG 1 Berdasarkan referensi Buku Panduan Yamaha F2.5 yang dikeluarkan resmi oleh Yamaha, brake power maksimum saat engine menggunakan bahan bakar bensin terjadi pada putaran 5500 RPM dengan harga sebesar 1,8 kw / 2,41 HP yang ditunjukkan oleh titik berwarna biru pada gambar di atas. Hasil simulasi dengan LES menunjukkan brake power untuk Gasoline STD pada putaran 5500 RPM dengan harga sebesar 1,79 kw (selisih error 18 0,55 %).

19 Validasi Setelah didapatkan data berupa grafik, maka dilakukan perhitungan pada hasil simulasi khusus pada gasoline STD menggunakan rumus empiris Contoh perhitungan pada 5750 RPM : P = 2πNT Dimana : N = 5750 RPM T = 3,01 Nm Dilakukan perhitungan sebagai berikut : P = 2πNT = 2π 5750 rev 3,01 Nm min min 60 sec = 1812,44 watt = 1,81 kw No rpm (rev/min) Brake Power (kw) ,088 Dari hasil perhitungan brake power secara manual didapatkan angka yang mendekati dengan hasil yang didapatkan dengan simulasi. Tingkat ketidaksesuaian angka 0 %, sehingga hasil simulasi dapat diterima , ,81 19

20 Brake Mean Effctive Pressure Terjadi peningkatan 4,84 % terhadap LPG 1 Penggantian gasoline dengan LPG pada kondisi operasional standar gasoline menghasilkan rata - rata penurunan brake torque sebesar -1,17 % sedangkan brake torque terbaik untuk LPG terjadi pada LPG 1 dengan rata - rata kenaikan +4,84 %. 20

21 Validasi Contoh perhitungan untuk 5750 RPM 6,28 x 2 x T BMEP kpa = Dimana : T = 3,01 Nm V d = 0,072 dm 3 V d Dilakukan perhitungan sebagai berikut : = 6,28 x 2 3,01 Nm 0,072dm 3 = 5,25 bar BMEP = 6,28 x 2 x T V d dm m 3 bar 10 5 Speed (RPM) BMEP (Bar) 250 5, , ,25 Dari hasil perhitungan Brake Mean Effective Pressure secara manual didapatkan angka yang mendekati dengan hasil yang didapatkan dengan simulasi. Tingkat ketidaksesuaian angka berkisar 0,19 %, sehingga hasil simulasi dapat diterima 21

22 Brake Spesific Fuel Consumption (BSFC) Terjadi penurunan - 20,27 % terhadap LPG 3 Penggantian gasoline dengan LPG pada kondisi operasional standar gasoline menghasilkan rata - rata penurunan BSFC sebesar -12,63 % sedangkan brake torque terbaik untuk LPG terjadi pada LPG 3 dengan rata - rata penurunan -20,27 %. 22

23 Validasi Contoh perhitungan untuk 5750 RPM Dimana sfc = ṁ f P : ṁ f = 0,203 gr sec P = 1,81 kw Dilakukan perhitungan sebagai berikut : = = 403,76 gr/kw.hr sfc = ṁ f P 0,203 gr sec 1,81 kw 3600 sec hr Speed (RPM) BSFC (gr/kw.hr) , , ,76 Dari hasil perhitungan Brake Spesific Fuel Consumption secara manual didapatkan angka yang mendekati dengan hasil yang didapatkan dengan simulasi. Tingkat ketidaksesuaian angka berkisar 1,68 %, sehingga hasil simulasi dapat diterima 23

24 Vollumetric Efficiency Terjadi penurunan -0,61 % terhadap LPG 6 Penggantian gasoline dengan LPG pada kondisi operasional standar gasoline menghasilkan rata - rata penurunan vollumetric efficiency sebesar - 1,55 % sedangkan terbaik untuk LPG terjadi pada LPG 6 dengan rata - rata penurunan - 0,61 %. 24

25 Validasi Contoh perhitungan pada 5750 RPM : 2 ṁ a gr s ɳ v = ρ a,i x V d x N gr m 3. m 3. 1 s Dimana : ρ a,i = 1,1906 kg/m3, pada T=24,85 0 C (Sumber : Tabel Robert W Fox, Introduction to Fluid Mechanic) ṁ a = 2,895 gr/s V d = 0,72 x 10-4 m 3 N = 5750 rpm Dilakukan perhitungan sebagai berikut : 2 ṁ a ɳ v = ρ a,i x V d x N = 2 2,699 gr s 1190,6 g m3 x 0,72 x10 4 m rpm = 70,47 % x 60 s 1 min Dari hasil perhitungan Volumetric Efficiency secara manual didapatkan angka yang mendekati dengan hasil yang didapatkan dengan simulasi. Tingkat ketidaksesuaian angka berkisar 2,76 % sehingga hasil simulasi dapat diterima. x 100% 25

26 CAD vs Pressure Fenomena tingginya tekanan in cylinder pada bahan bakar LPG secara umum memperlihatkan bahwa retreat waktu pengapian membantu mengoptimalkan energi yang bisa dilepaskan oleh LPG karena caloric value LPG lebih tinggi daripada gasoline. Ditambah lagi pengaturanan AFR yang tepat yaitu mendekati stoikiometri untuk LPG 15,5 semakin meningkatkan efisiensi pembakaran secara keseluruhan. 26

27 Temperatur Combustion Gas vs CAD Penggantian gasoline dengan LPG pada kondisi operasional standar gasoline menghasilkan penurunan temperatur combustion gas maksimum sebesar -6,9 % sedangkan temperatur combustion gas maksimum tertinggi LPG terjadi pada LPG 27 STD

28 Kesimpulan 1. Performa engine (brake torque, brake power, BMEP, BSFC) berbahan bakar bensin (gasoline) didapatkan nilai masing-masing rata-rata yakni 3,64 Nm, 1,10 kw, 6,33 bar dan 369,30 gr/kw.hr. Sedangkan untuk LPG standar didapat hasil rata-rata 3,59 Nm, 1,09 kw, 6,26 bar, dan 327,86 gr/kw.hr 2. Performa engine (brake torque, brake power, BMEP dan BSFC) berbahan bakar LPG secara keseluruhan dapat dimaksimalkan dengan cara memundurkan waktu pengapian 5 o menjadi 25 o BTDC serta pengaturan AFR pada keadaan stoikiometri LPG yaitu 15,5 dengan kenaikan masing - masing sebesar +4,86 %; +5,06 %; +4,84 % dan penurunan sebesar -19,9 %. 28

29 29

30 Konvergensi 30

31 Secara pengaturan default, Lotus Engine Simulation mengatur nilai error maksimum pada cylinder exhaust section sebesar 1 %, cylinder inlet section sebesar 0% dan nilai average error pada pipe section sebesar 2 %. Dari Ketiga hasil grafik tersebut masih dalam batas range yang ditentukan dari LES untuk garis error limit. Berdasarkan pada referensi tersebut, maka dapat dikatakan bahwa semua simulasi (Gasoline STD, LPG STD, LPG 1, LPG 2, LPG 3, LPG 4, LPG 5 dan LPG 6) yang dilakukan valid karena nilai error yang dihasilkan pada grafik konvergensi lebih kecil daripada nilai error maksimum yang diperbolehkan pada LES. 31

32 Fuel Mass Rate. 32

33 Tingginya massa alir bahan bakar mulai dari LPG 5, Gsoline STD, LPG 2, LPG STD, LPG 4, LPG 1, LPG 6 dan LPG 3 adalah karena faktor AFR. Semakin rendah nilai AFR, maka semakin banyak bahan bakar relatif terhadap udara yang dicampurkan. Akibatnya, campuran menjadi lebih kaya yang pada akhirnya membutuhkan laju bahan bakar yang lebih besar. Penggantian gasoline dengan LPG pada kondisi operasional standar gasoline menghasilkan rata - rata penurunan massa alir bahan bakar sebesar -11,72 % sedangkan massa alir bahan bakar terendah terjadi pada LPG 3 dengan rata - rata penurunan sebesar -32,24 %. Dapat disimpulkan, semakin banyak asupan bahan bakar ke ruang bakar tidak berarti performa yang dihasilkan semakin tinggi. 33

34 Air Flow Rate.. 34

35 Tingginya massa alir udara secara urut mulai dari Gasoline STD, LPG 6, LPG 4, LPG STD, LPG 3, LPG 1, LPG 5 dan LPG 2 adalah karena faktor AFR. Semakin tinggi nilai AFR, maka semakin banyak udara relatif terhadap bahan bakar yang dicampurkan. Akibatnya, campuran menjadi lebih miskin yang akhirnya berdampak pada massa alir udara yang lebih besar. Penggantian gasoline dengan LPG pada kondisi operasional standar gasoline menghasilkan rata - rata penurunan massa alir udara sebesar -1,36 % sedangkan massa alir udara tertinggi terjadi pada Gasoline STD sendiri diikuti oleh LPG 6 dengan rata - rata penurunan sebesar -0,42 %. Hal ini karena rantai karbon pada gasoline lebih panjang sehingga dalam reaksi pembakaran membutuhkan udara (O 2 ) yang lebih banyak. 35