PENGARUH PERUBAHAN COMPRESSION RATIO MOTOR DIESEL MENGGUNAKAN BAHAN BAKAR GAS DAN EFFEKNYA TERHADAP POWER DAN DAYA Semin, Dayang, Aguk Zuhdi MF, I Made Ariana, Amiadji Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya E-mail: semin@its.ac.id Abstrak Dalam proses konversi mesin diesel menjadi mesin bahan bakar gas diperlukan perubahan rasio kompresi pada ruang bakar. Mesin diesel mempunyai ratio kompressi sekitar 20:1 sampai 26: 1, sedangkan pada bahan bakar gas mempunyai rasio kompresi diatas 12:1. Dalam konversi mesin diesel mejadi mesin bahan bakar gas perlu direncanakan rasio kompresi yang tepat agar diperoleh unjuk kerja mesin bahan bakar gas yang tinggi. Perencanaan rasio kompresi dapat dimulai dari nilai 12:1 sampai dengan 20:1, kemudian dipilih nilai rasio kompresi yang mempunyai unjuk kerja yang paling tinggi. Proses investigasi efek rasio kompresi terhadap unjuk kerja mesin dilakukan dengan menggunakan software GT-Power. Pada awalnya dibuat model diesel engine dengan bahan bakar solar lalu dirunning, jika hasil running sudah sesuai dengan spek mesin aslinya baru dilakukan perubahan bahan bakarnya setelah itu model diruning pada compression ratio yang bervariasi, dari hasil running akan terlihat pada compression ratio berapa ia memiliki daya yang optimum. Kata kunci: Bahan bakar gas, compression ratio, daya, mesin diesel, power 1. Pendahuluan Gas alam terkompresi (CNG) telah muncul sebagai solusi untuk masalah harga minyak yang tinggi dan emisi gas buang tinggi. Tersedia di banyak negara dari sumber-sumber asli, gas adalah bahan bakar murah dan bersih. Di beberapa negara, harga CNG sepertiga solar. Bensin dan solar akan menjadi langka dan mahal. Teknologi bahan bakar alternatif, ketersediaan dan penggunaanya akan menjadi lebih umum dalam dekade mendatang untuk mesin pembakaran dalam. Saat ini, bahan bakar alternatif telah berkembang karena kekhawatiran bahwa cadangan bahan bakar fosil di seluruh dunia yang terbatas dan pada dekade awal abad ini akan habis sama sekali. Selain itu, krisis energi dunia saat ini membuat kenaikan harga bahan bakar fosil. Di sisi lain, bahan bakar fosil memberikan kontribusi pencemaran lingkungan yang besar. Banyak jenis bahan bakar alternatif yang tersedia di dunia. Compressed Natural Gas (CNG) sebagai bahan bakar alternatif menjadi semakin penting. Oleh karena itu maka timbulah ide mengkonversi diesel yang semula berbahan bakar solar menjadi berbahan bakar gas. Dalam proses konversi mesin diesel menjadi mesin bahan bakar gas diperlukan perubahan rasio kompresi pada ruang bakar. Mesin diesel mempunyai ratio kompressi sekitar 20:1, sedangkan pada bahan bakar gas mempunyai rasio kompresi diatas 12:1. Dalam konversi mesin diesel mejadi mesin bahan bakar gas perlu direncanakan rasio kompresi yang tepat agar diperoleh unjuk kerja mesin bahan bakar gas yang tinggi. Perencanaan rasio kompresi dapat dimulai dari nilai 12:1 sampai dengan 20:1, kemudian dipilih nilai rasio kompresi yang mempunyai unjuk kerja yang paling tinggi. Proses investigasi efek rasio kompresi terhadap unjuk kerja mesin dilakukan dengan menggunakan software GT-Power. 2. Tinjauan Pustaka 2.1 Mesin diesel Mesin diesel adalah sejenis mesin pembakaran dalam; lebih spesifik lagi, sebuah mesin pemicu kompresi, dimana bahan bakar dinyalakan oleh suhu tinggi gas yang dikompresi, dan bukan oleh alat berenergi lain (seperti busi). Mesin ini ditemukan pada tahun 1892 oleh Rudolf Diesel, yang menerima paten pada 23 Februari 1893. Diesel menginginkan sebuah mesin untuk dapat digunakan dengan berbagai macam bahan bakar termasuk debu batu bara. Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012 X - 1
2.2 Injeksi BBG Dalam mesin BBG, bahan bakar diinjeksikan oleh sistem injeksi bahan bakar gas melalui katup intake port trans ke dalam silinder mesin menjelang akhir langkah kompresi, tepat sebelum memulai pembakaran yang diinginkan. Bahan bakar gas, biasanya disuntikkan pada kecepatan tinggi sebagai satu atau lebih jet melalui lubang kecil atau nozel di ujung injector. Bahan bakar gas yang bercampur dengan suhu tinggi dan tekanan tinggi udara di silinder. Sejak, suhu udara dan tekanan pada titik penyalaan bahan bakar gas itu, percikan pengapian dari bagian dari bahan bakar yang sudah dicampur dan setelah udara masa penundaan dari beberapa derajat sudut engkol. Meningkat tekanan silinder sebagai pembakaran dari campuran bahan bakar gas-udara terjadi. Masalah utama dalam desain injeksi BBG ruang bakar mesin mencapai cukup cepat pencampuran antara bahan bakar gas injeksi dan udara dalam silinder dalam interval sudut engkol dekat tepat untuk TDC. 2.3 Rasio Kompresi Rasio kopresi dapat dihitung dengan rumus dibawah ini: Dimana : = silinder bore (diameter) = piston stroke (Langkah Panjang) = clearance volume. Ini adalah volume ruang bakar (termasuk paking cilinder head). adalah volume minimal ruang pada akhir langkah kompresi, yaitu ketika piston mencapai top dead center (TDC). Karena bentuk kompleks ruang ini, biasanya diukur secara langsung. Rasio kompresi (CR) adalah rasio dari volume total ruang pembakaran saat piston berada di pusat mati bawah (BDC) untuk volume total ruang pembakaran saat piston di pusat mati atas (TDC). Secara teoritis meningkatkan rasio kompresi (CR) dari mesin dapat meningkatkan efisiensi keseluruhan mesin dengan memproduksi lebih banyak output daya. Memang, untuk meningkatkan CR, ada banyak aspek mengenai operasi dari mesin yang harus dipertimbangkan untuk memeriksa kompatibilitas bagian. Misalnya, durasi yang lebih singkat cam dapat meningkatkan efektivitas meningkatkan CR. Selama langkah kompresi, udara lebih diizinkan menjebak atas piston sebelum penutupan katup inlet. Selain itu, lebih rendah durasi cam pembuka; pendek adalah jarak bagi piston untuk bergerak ke atas ke lubang pada langkah kompresi Selain durasi cam, cam itu Lobe Angle Tengah (LCA) dan kemajuan cam penting untuk meningkatkan CR. Sebuah LCA yang lebih luas (angka semakin besar) mempromosikan peningkatan yang lebih besar di CR dari LCA ketat (angka semakin kecil) (kedok 2003, hal.4). Selain itu, mesin dengan cam yang lebih maju, sekitar 2-4 derajat muka (kedok 2003, hal.4) mempromosikan penutupan asupan lebih cepat. Oleh karena itu, output tenaga mesin akan beless sensitif terhadap penutupan katup dan kombinasi waktu kompresi. Untuk setiap rasio meningkat, tekanan silinder puncak akan meningkat dengan sekitar 100-110 psi (kedok 2003, h.5). Akibatnya, akan ada tegangan termal pada bagian-bagian komponen mesin seperti gasket kepala, menghubungkan batang, engkol dan blok. Biasanya, tekanan puncak akan terjadi sebelumnya dalam kuasa stroke dan tingkat kerusakan tekanan silinder jauh lebih cepat karena tingkat lebih tinggi dari volume meningkat pada ruang pembakaran. Dengan keterbatasan ini, situasi seperti mengetuk akan terjadi dan metode pencegahan untuk menemukan bahan bakar yang memiliki nilai oktan tinggi sekitar 115 atau lebih tinggi desain yang lebih baik pada piston lubang atau ruang pembakaran untuk meningkatkan tindakan berputar dan waktu injeksi. Karena nilai oktan lebih tinggi meningkatkan suhu, penting untuk menjaga sistem induksi sekeren mungkin untuk menghindari mengetuk apapun. Selain itu, piston ke kepala mendarat di TMA harus dioptimalkan untuk meningkatkan aksi berputar-putar. Celah-celah dan sudut tajam dalam ruang pembakaran diminimalkan untuk menetapkan izin memuaskan / squish ketat. Hal ini mendorong baik kualitas pencampuran bahan bakar dan udara yang meningkatkan efisiensi dan proses pembakaran lebih cepat. Untuk menurunkan tekanan Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012 X - 2
puncak dan pelebaran batas ketukan, mesin kompresi tinggi memerlukan pengapian sistem kinerja tinggi dengan modus berlebihan kotor dan memajukan cam yang dikurangi dengan 2-3 derajat. Terakhir, mencari mesin kompresi tinggi untuk menghasilkan output daya maksimum melalui efektivitas proses pembakaran berarti bahwa mesin harus beroperasi pada rpm lebih tinggi juga. Oleh karena itu, ruang pembakaran dipadatkan dengan memperpanjang stroke piston, dimodifikasi mahkota piston untuk menjadi datar dan membawa katup intake dan exhaust ke posisi yang lebih vertikal sekitar 18 derajat Dapat disimpulkan bahwa untuk mencapai daya output tinggi itu bukanlah tugas yang mudah. Jika desain kepala piston atau geometri dari ruang pembakaran tidak dilakukan dengan baik, hal itu akan menyebabkan kegagalan operasi mesin. Oleh karena itu, bijaksana untuk menjaga efisiensi dan kinerja mesin diesel asli di mesin CNG-diesel dengan kemungkinan mengurangi CR untuk mencegah ketukan. Selain rasio kompresi, seperti yang disebutkan sebelumnya komposisi gas alam merupakan kriteria penting untuk konversi mesin. Oleh karena itu, jenis mesin yang digunakan untuk konversi tergantung pada variasi komposisi bahan bakar. 2.4 Konversi Mesin Diesel menjadi Mesin Bahan Bakar Gas. Semua mesin diesel dapat dikonversikan menjadi gas alam. Tingkat daya dari mesin setelah konversi tergantung pada berbagai masalah, seperti kualitas tingkat gas alam, tenaga dari mesin diesel asli, tingkat emisi diperlukan dll Sebuah mesin benar dikonversi dapat membuat sebagai banyak daya menggunakan gas alam seperti pada diesel. Mesin diesel dikonversi menjadi gas alam umumnya memerlukan komponen tambahan serta beberapa perubahan mekanik untuk mesin. Pada dasarnya mesin diesel mengalami rebuilt lengkap dalam proses berubah dari mesin diesel ke mesin gas. 3. Metodologi Metodologi yang dipakai untuk penyelesaian penelitian ini secara lengkap dapat dilihat pada gambar dibawah dengan tahapan-tahapan seperti berikut : 3.1 Studi Literatur Studi literatur dilakukan dengan pengumpulan referensi-referensi yang berhubungan dengan materi yang dibahas, dalam hal ini pengaruh perubahan ukuran dimeter dan jumlah lubang pada injektor terhadap unjuk kerja pada direct injection diesel engine. Adapun literature tersebut didpatakan dari buku, internet, dan paper. 3.2 Pengambilan Data Untuk melakukan analisa unjuk perja dari mesin, maka dilakukan pengumpulan data dengan pembukaan engine dan melakukan pengukuran terhadap engine,serta parameter-parameter yang dibutuhkan dalam software GT-POWER 3.3 Pemodelan Pada pemodelan ini yang dilakukan adalah memasukan parameter-parameter yang dibutuhkan dalam menjalan software GT-POWER. Sehingga data output dari software inilah yang nantinya dianalisa 3.4 Validasi Pemodelan Pada tahapan validasi ini merupakan kesesuaian antara data hasil pemodelan dengan data mesin standarnya. Jika hasil dari pemodelan belum sesuai dengan mesin standartnya, maka dilakukan pemodelan ulang dengan melakukan analisa terhadap data-data inputnya. Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012 X - 3
3.5 Pengujian Apabila didapatkan pemodelan sesuai dengan karakteristik engine yang sesungguhnya, maka dilakukan pengujian dengan merubah compression ratio pada data engine di engine geometri. 3.6 Analisa Data kita mendapatkan data-data dari simulasi software, baru kita melakukan analisa untuk menajwab hal-hal yang berkaitan dengan penelitihan, dalam hal ini pengaruh perubahan bahan bakar dan compression ratio yang tepat sehingga nantinya akan menghasilkan unjuk kerja terbaik. 4. Hasil dan Analisa Tahapan yang pertamakali dilakukan yaitu membuat pemodelan yang tepat dengan mengunakan software yang sesuai untuk menganalisa. Menurut refrensi, software yang yang dapat digunakan adalah GT-POWER untuk menganalisa engine performance pada diesel engine. Data yang digunakan dalam pemodelan dan simulasi berupa speck mesin. 4.1 Spesifikasi mesin Mesin yang digunakan pada pemodelan adalah mesin diesel sebagai berikut : 4.2 Analisa Pemodelan Tabel 1. Spesifikasi mesin ENGINE PARAMETERS VALUE Bore 86 mm Stroke 70 mm Displacement 407 cc Number of cylinder 1 Connecting rod length 118,1 mm Piston pin ofset 1 mm Setelah model HSD engine dibuat lalu dirubah bahan bakarnya, setelah bahan bakarnya dirubah menjadi bahan bakar natural gas baru rasio kompresinya divariasikan. Variasi rasio kompresi adalah antara CR 10 sampai CR 22,2 dengan kisaran diatas CR tertinggi gasoline engine dan dibawah CR tertingi HSD engine. Setelah pemodelan dengan variasi CR antara 11 sampai 22,2 lalu dilakukan running dan melihat hasilnya pada GT-POST, pada GT-POST dapat dilihat engine performance dan data-data yang akan kita analisa. Pada GT-POST terdapat parameter yang dapat dianalisa. Dari data hasil running dapat dianalisa hubungannya dengan inputan yang dimasukan sebelum raning, misalnya data CR. Dari hasil running GT-POST yang rasio kopmresi berfariasi didapat grafik daya mesin dan dapat dialakuan analisa dari pengaruh rasio kompresio terhadap daya mesin pada putaran 500 rpm sampai 4000 rpm. Dari grafik pemvariasian rasio kompresi dan kecepetan mesin dapat dilihat bahwa power mesin semakin tinggi jika rpm nya dinaikkan hingga rpn 3500, setelah 3500 rpm maka power akan turun karena torsinya turun. Jika dilihat dari rasio kompresi 11 sampai 16 semakin tinggi CR maka power akan semakin meninggkat namun setelah CR 16 maka daya rata rata yang dihasilkan akan semakin menurun, namun daya optimum masih meninggkat hingga CR 19, setelah CR 19 maka daya optimumnya akan menurun karena torsi menurun, daya menurun karena adanya indikasi knoking. Jaka suatu mesin akan diopreasikan pada daya yang bervariasi seperti pada kendaraan maka cocok menggunakan CR 16 Jika suatu mesin akan diperasikan pada daya optimum dan beban tetap seperti pada generator maka cocok menggunakan CR 19. Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012 X - 4
Gambar 1. Analisa efek perubahan rasio kompresi mesin diesel menjadi mesin BBG 5. Kesimpulan Rasio kompresi yang cocok untuk mesin HSD yang dikonversi menjadi mesin bahan bakar gas alam adalah CR 16. Mesin CNG kompresi rasionya masih dapat dinaikan hingga CR 19, Namun jika CR diatas 16 dan kurang dari atau sama dengan 19 maka daya pada RPM rendah dayanya akan kecil, namun tinggi pada tinggi pada rpm tinggi. Ucapan Terima Kasih Ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kami ucapkan kepada Lembaga Penelitian dan Pengabdian Masyarakat Institut Teknologi Sepuluh Nopember yang telah mendanai penelitian ini sehingga dapat selesai dengan baik. Daftar Pustaka Boij, Johan 2008, Engines Types, Frankfurt Konig Johan, Cylinder-Pressure Based Injector Calibration for Diesel Engine, Stockholm, Sweden April 2008. Bosch G, Robert,2004, Diesel-Engine Management, 3 rd Edition, United Kingdom. Li, LIM Pei, 2004, The Effect of Compression Ratio on the CNG-Diesel Engine, University of Souther Queesland,Queesland. Semin, Ismail, A.R. and T.F. Nugroho, 2010. Experimental and computational of engine cylinder pressure investigation on the port injection dedicated CNG engine development. J. Applied Sciences, 10: 107-115. Semin., Ismail, A.R., Bakar, R.A, 2008a. Comparative performance of direct injection diesel engines fueled using compressed natural gas and diesel fuel based on GT-POWER simulation, American Journal of Applied Sciences 5 (5), pp. 540-547. Semin., Ismail, A.R., Bakar, R.A, 2008b. Investigation of CNG engine intake port gas flow temperature based on steady-state and transient simulation, European Journal of ScientificResearch 22 (3), pp. 361-372 Semin., Bakar, R.A., Ismail, A.R, 2008c. Computational visualization and simulation of diesel engines valve lift performance using CFD, American Journal of Applied Sciences 5 (5), pp.532-539. Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012 X - 5